Усиление адгезии лака к печатным платам.

   Радиоэлектронная аппаратура, предназначенная для работы в «жестких» условиях эксплуатации, требует использования специальных методов влагозащиты. Особую остроту данная проблема приобрела на современном этапе. Резко возросла интеграция компонентов, увеличилась плотность монтажа, значительно выросли требования к точности изготовления деталей, сборочных единиц, печатных плат (особенно многослойных печатных плат до 5-го класса точности). Конструктивные требования тяжким бременем легли на плечи технологов по механическим и сборочным работам, изготовлению печатных плат, получению влагозащитных покрытий и др.

   Например, для современных бортовых цифровых вычислительных машины (БЦВМ), разработанных и изготавливаемых Государственным Рязанским приборным заводом (ГРПЗ), характерны все названные конструктивные особенности. В связи с этим возникла необходимость в исследованиях по получению высококачественных влагозащитных покрытий с улучшенными свойствами.

   Для влагозащиты радиоэлектронной аппаратуры, работающей в «жестких» условиях, традиционно применяются лаки УР-231, ЭП-9114, ЭП-730, которые позволяют получить глянцевые покрытия, механически прочные и устойчивые к периодическому воздействию минерального масла, бензина, спирто-нефрасовой смеси. Такие покрытия обладают водостойкостью, электроизоляционными и радиопрозрачными свойствами, имеют заслуженно высокую репутацию, подтвержденную многолетним опытом эксплуатации в жестких климатических условиях в широком интервале температур (от-60 до +120 °С).

Изделия, покрытые лаками, выдерживают следующие виды испытаний:
• воздействие повышенной температуры (60 °С в течение 24 ч);
• воздействие пониженной температуры (-50 °С в течение 24 ч);
• воздействие пониженного атмосферного давления (30 мм рт. ст. при температуре 25 ± 10 °С в течение 24 ч);
• воздействие циклического изменения температуры (от 85 до -60 °С со скоростью изменения температуры 2 °С/мин, три цикла по два часа);
• воздействие атмосферных конденсирующихся осадков (давление 760 мм рт. ст., температура 35 °С, относительная влажность воздуха 98% в течение 8 ч; далее давление 170 мм рт. ст., температура -20 °С в течение 3 ч; далее давление 760 мм рт. ст., температура 35 °С, относительная влажность воздуха 95% в течение 2 ч);
• воздействие повышенной влажности (температура 40 ±2 °С, относительная влажность воздуха 95 ±3%, 12 суток);
• воздействие соляного (морского) тумана (7 суток). После всех испытаний в составе изделия покрытие не должно иметь отслоений, вздутий, пузырьковой сыпи, шагрени и побеления, не устраняющегося при просушке; под покрытием на печатных проводниках, местах пайки и корпусах ЭРЭ не должно быть коррозионных изменений; на корпусах ЭРЭ должна сохраняться читаемая маркировка.

К недостаткам лаков можно отнести:
1. Длительный технологический цикл. Общее время нанесения трех-четырех слоев покрытия с многочасовой послойной сушкой составляет от 2 до 4 суток.
2. Недостаточная проникающая способность и склонность к образованию перемычек между выводами ЭРЭ с малым шагом и близко расположенными ЭРЭ.
3. Оптимальные защитные свойства покрытия проявляются при толщине 40-80 мкм. Толщина покрытия на острых кромках и выводах ЭРЭ, тонких печатных проводниках обычно не регламентируется, а на практике бывает на 20-50% меньше, чем на остальных поверхностях;
4. Низкая ремонтопригодность.
В связи с появлением в изделиях последних поколений многослойных печатных плат новой комплектации с низкой посадкой ЭРЭ и использованием более плотного монтажа возникла необходимость применения влагозащитного покрытия, исключающего данные недостатки. Для определения возможности замены традиционно применяемых лаков на предприятии были проведены работы по поиску и отработке новых технологий нанесения прогрессивных влагозащитных покрытий, отвечающих современным требованиям качества. Опробовано несколько современных материалов, широко рекламируемых для влагозащиты радиоэлектронной аппаратуры, заявленные свойства которых отвечают указанным требованиям.
На печатные узлы, изготовленные на нашем предприятии, в сторонней организации были нанесены покрытия по вариантам 1, 2, 3, 4, 5 (см. ниже). Покрытия однослойные, ремонтопригодные, а в случаях 1, 2, 4 не требующие дорогостоящего оборудования для выполнения соответствующей операции.

Результаты испытаний:
1. Полимерная композиция «Поливоск» — дисперсия низкомолекулярного полиэтилена в органических растворителях с различными добавками. Покрытие матовое, прозрачное. Наносится методом окунания. После проведения климатических испытаний внешний вид покрытия не изменился. Однако интервал рабочих температур покрытия -60...+ 85 °С и недостаточные электроизоляционные свойства не вполне удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к нашим изделиям.
2. «Эпилам» — раствор фторсодержащих поверхностно-активных веществ в органических растворителях. Покрытие матовое, прозрачное. После проведения климатических испытаний наблюдались побеление, интенсивная пузырьковая сыпь и единичные отслоения.
3. Полипараксилиленовое покрытие. Данное покрытие требует специального оборудования для нанесения (наносится методом вакуумной пиролитической полимеризации). Покрытие матовое, сплошное, прозрачное. После проведения климатических испытаний покрытие матовое, менее прозрачное, появляется единичная пузырьковая сыпь (допустимая по ОСТ 107.9.4001-88).
4. Кремнийорганическое покрытие «Универсал». Покрытие глянцевое, равномерное, без раковин, вздутий и отслоений. Имеются отдельные включения (эффект инея допускается), пузыри. После проведения климатических испытаний на печатных узлах наблюдается побеление покрытия вокруг отдельных мест пайки, матовость покрытия, интенсивная пузырьковая сыпь.
5. Полиакриловое покрытие EG-1700. Данное покрытие требует специального оборудования для нанесения (установка с холодильным циклом для улавливания и конденсации паров растворителя). Покрытие матовое, прозрачное, сплошное. После проведения климатических испытаний (кроме «морского тумана») внешний вид покрытия не изменился. После проведения испытаний на воздействие «морского тумана» наблюдались помутнение и нарушение целостности покрытия.
В результате анализа результатов проведенных работ нами было выбрано полипараксилиленовое покрытие, в большей степени соответствующее требованиям, предъявляемым к нашим изделиям.

Преимущество данного покрытия заключается в следующем:
1. Нанесение покрытия осуществляется на автоматизированной установке методом вакуумной пиролитической полимеризации из газовой фазы. Порошкообразный димер возгоняется в вакууме и разлагается при высокой температуре с образованием бирадика-лов. Далее происходит их конденсация на охлажденной поверхности печатного узла с одновременной полимеризацией. При этом образуется прозрачная полимерная пленка без пор. Толщина получаемой пленки может варьироваться от 0,1 до 50 мкм.
2. Высокая проникающая способность в микрозазоры, отсутствие перемычек и одинаковая толщина покрытия на поверхности любой конфигурации (выводы ЭРЭ, острые кромки, узкие каналы).
3. Надежные влагозащитные свойства покрытия.
4. Короткий технологический цикл (8-24 ч).
5. Экологичность. В процессе нанесения покрытия не используются растворители. Отходы производства (полимерная пленка) не токсичны и могут быть утилизированы вместе с бытовыми отходами.

   С целью внедрения на Государственным Рязанским приборным заводом (ГРПЗ) нового полипараксилиленового покрытия была приобретена установка PDS 2060 (Parylene Deposition System), с объемом камеры 236 л, позволяющая за один цикл наносить покрытие на поверхность общей площадью более 4,0 м2. После приобретения установки была проведена отработка технологии нанесения полипараксилиленового покрытия на печатные узлы.

   В настоящее время для получения полипараксилиленового покрытия используются parylene N, С и D с подслоем Silane А-174 (g-метакрилоксипропилтриметоксисилан). Проведены экспериментальные работы по нанесению на технологические печатные платы различных типов материалов с подслоем и без подслоя. При этом в качестве образца-свидетеля для замера толщины покрытия использовали пластины из нержавеющей стали (Япония) толщиной 150 мкм, а для контроля адгезии покрытия — ситалловые подложки СТ-50-1-1-0,6 ПГКЖ.431431.003ТУ.

Получено:
• покрытие parylene N с подслоем Silane А-174 — полуматовое, прозрачное, сплошное, заданной толщины (15-20 мкм). Продолжительность цикла нанесения покрытия около 24 ч;
• покрытие parylene С с подслоем Silane А-174 — полуматовое, прозрачное, сплошное, без дефектов, заданной толщины (15-20 мкм). Продолжительность цикла нанесения покрытия около 8 ч;
• для получения покрытия parylene D с подслоем Silane А-174 заданной толщины необходимо обеспечить температуру конденсации и полимеризации в камере (температуру подложки) примерно 70 °С. Используемое оборудование не имеет «рубашки» для подачи тепло- или хладагента, соответственно, не может обеспечить требуемую температуру, и полимеризация происходит при температуре 25 ±10 °С Поэтому мы получили более тонкое, чем необходимо, покрытие (7 мкм). Покрытие прозрачное, полуматовое, с видимыми матовыми пятнами в форме капель. Цикл нанесения покрытия более 24 ч;
• покрытие, полученное из отечественного ди-пара-ксилилена с подслоем силана неизвестного происхождения — матовое, прозрачное, сплошное, заданной толщины (15 мкм). Длительность цикла нанесения покрытия около 24 ч;
• покрытия parylene N, С, D и покрытие, полученное из отечественного ди-пара-ксилилена, без использования подслоя не отличаются по внешнему виду от аналогичных покрытий с подслоем. Но адгезия таких покрытий к подложке, определяемая методом решетчатых надрезов по ГОСТ 15140-78, оказалась неудовлетворительной.

   Все печатные платы были подвергнуты климатическим испытаниям. С учетом результатов испытаний, продолжительности цикла нанесения покрытия, требований по обеспечению толщины покрытия 15-20 мкм и адгезии 1-2 балла
1. В качестве основного материала — parylene С с подслоем Silane А-174.
2. В качестве материала-заменителя — parylene N с подслоем Silane А-174.

   Данные материалы внедрены на предприятии и предназначены для влагозащиты узлов изделия БЦВМ. Таким образом, найдена достойная замена влагозащитным лаковым покрытиям.

   Сопоставляя свойства парилена N и парилена D, можно отдать предпочтение первому. Видимо поэтому в России была сделана ставка на поли-пара-ксилилен. Хотя, не исключено, что главной причиной была более сложная технология получения хлорзамещенного мономера. За рубежом примерно в 80% случаев используют поли-дихлор-пара-ксилилен. Технология его нанесения чуть проще, но чуть ниже и газопроницаемость такого покрытия.

   Но, скорее всего, не эти чуть-чуть предопределили цифру 80%. Хорошая адгезия к подложке – одно из обязательных требований к полимерным покрытиям, используемым для влагозащиты печатного монтажа. Известно, что функциональные группы снижают адгезию полимеров в следующей последовательности: COOH, OH, COONH2, …, Cl, …, H. Несмотря на то, что хлор занимает в этом ряду далеко не первое место, присутствие хлора в молекулах parylene D, обеспечивает ему лучшую адгезию к подложке, чем parylene N.

   Чтобы обеспечить достаточный уровень адгезии parylene N, используют подслой праймера, чаще всего – силаны.

   Силаны наносят двумя методами: либо из растворов, либо из газовой фазы непосредственно перед конденсацией parylene.

   По одной из отечественных технологий изделие в течение 10 мин. выдерживают в 0,1% растворе А-1100 (g-аминопропилтриметоксисилан) в толуоле. Затем сушат при нормальной температуре в течение 30 мин., подвергают термообработке при 100 – 120 0С в течение 30 мин. и наносят на него покрытие. Адгезия покрытия по такому подслою увеличивается с 3 – 4 баллов до 1 – 2 баллов.

   Следует иметь в виду, что в погоне за высокой адгезией не следует забывать и о главной функции покрытия – обеспечении влагозащиты печатного узла. Эта технология не исключает вероятность остатков несвязанного (свободного) g-аминопропилтриметоксисилана между поверхностью печатной платы и париленовым покрытием. Довольно высокая для печатных узлов температура термообработки, судя по результатам испытаний, гарантирует образование прочной химической связи между праймером и поверхностью печатного узла. Высокая температура термообработки гарантирует еще и удаление растворителя (толуола), но не гарантирует удаление высококипящего несвязанного g-аминопропилтриметоксисилана.

   А-1100 (g-аминопропилтриметоксисилан) – полярное, водорастворимое соединение. Наличие такого соединения между покрытием и подложкой печатной платы может привести к снижению уровня сопротивления изоляции в цепях печатных узлов в условиях воздействия влаги. Париленовое покрытие химически инертно. В отличие от эпоксидной смолы оно не имеет реакционноспособных гидроксильных групп, способных химически связать свободный g-аминопропилтриметоксисилан. Возможно, этим и объяснялись некоторые неудачные попытки реализовать в прошлом технологию нанесения париленовых покрытий с использованием отечественных материалов.

   Приведенная выше технология, требует введения еще двух дополнительных операций: отмывку печатного узла в растворителе, например, в воде и сушку. Таким способом можно будет гарантированно освободиться от избытка g-аминопропилтриметоксисилан.

   Париленовые покрытия (Parylene) с применением силанов имеют большое будущее. Широкое использование таких покрытий за рубежом в течение нескольких десятилетий свидетельствует о том, что их преимущества так велики, что позволяют закрывать глаза на все недостатки.

   По материалам сайта - Технологии электронной промышленности.