Селективный метод нанесения влагозащитных покрытий.
Прецизионное нанесение защитных покрытий для ответственной электроники. Часть I

№ 2’2016
PDF версия
Требования к сроку эксплуатации и безукоризненной работе ответственных узлов электроники постоянно растут, а сфера применения электронных компонентов становится все шире. Для надежной защиты таких устройств был разработан селективный метод нанесения влагозащитных покрытий, благодаря которому современная электроника надежно выполняет свои функции.

В настоящее время селективный метод нанесения влагозащитных покрытий, используемый при изготовлении электронных блоков, обретает все большую популярность (рис. 1). Постоянное усовершенствование электронных технологий приводит к появлению все более сложных печатных узлов. Условия эксплуатации электроники становятся все многообразнее. Сегодня очевидно, что навигационные системы способны бесперебойно работать как летом при +30 °C, так и зимой при –20 °C. Правильно и точно нанесенное влагозащитное покрытие предохраняет электронные компоненты от влажности, пыли, вибрации и других воздействий окружающей среды. Миниатюризация электронных устройств и требования повышения точности нанесения материала между элементами, которые должны либо иметь, либо оставаться свободными от защитного покрытия, побуждают к поиску правильного метода нанесения.

Процесс селективного нанесения влагозащитного покрытия

Рис. 1. Процесс селективного нанесения влагозащитного покрытия

При проектировании электронного узла не учитывается, каким способом будет нанесен защитный материал и каковы системные ограничения у оборудования для нанесения. Это приводит к тому, что, несмотря на имеющуюся на предприятии автоматическую установку нанесения влагозащитного материала, данный материал будет наноситься вручную. В результате возникают значительные потери времени и увеличиваются материальные затраты.

Для сокращения времени простоя компания Rehm Thermal Systems при содействии компании KC-Produkte создала универсальную установку нанесения влагозащитных покрытий Protecto, позволяющую наносить защитный материал на печатные узлы разной геометрии и применять в процессе все возможные способы нанесения. Установка Protecto доступна как в стандартном исполнении с одним дозатором для решения несложных задач, так и в специальном, с четырьмя дозаторами, которые могут быть специально подобраны в соответствии с требованиями заказчика и для решения комплексных задач (рис. 2).

Максимально возможная комплектация с четырьмя дозаторами

Рис. 2. Максимально возможная комплектация с четырьмя дозаторами

 

Подготовительный этап и производственное планирование

Перед непосредственным нанесением конформного материала необходимо уточнить целый ряд условий. Для начала нужно определить, в каких условиях предполагается эксплуатировать будущее изделие — температура окружающей среды, изменения температуры, УФ-излучение, влажность, пыль или вибрация. На основе данных факторов можно определить, какой защитный материал будет соответствовать всем предъявленным требованиям. Затем необходимо точно установить, какая область будет покрыта защитным материалом, а какая останется свободной (рис. 3, 4). Как правило, нельзя наносить покрытие на разъемы, соединения, контрольные контакты, поскольку соприкосновение влагозащитного покрытия с ними может вывести из строя целый печатный узел.

Влагозащитное покрытие под ультрафиолетовым светом

Рис. 3. Влагозащитное покрытие под ультрафиолетовым светом

Попадание влагозащитного материала под корпус

Рис. 4. Попадание влагозащитного материала под корпус

Кроме всего прочего, между участками с покрытием и свободными от покрытия зонами должен быть предусмотрен минимальный зазор, так как определенное количество материала может пересечь намеченную линию. Из-за капиллярного эффекта материал может попасть либо на разъемы, либо под корпус компонента, что станет препятствием для электрического контакта с ответственной частью. В итоге — выход изделия из строя. Поэтому целесообразнее учитывать данный факт уже на этапе проектирования печатной платы.

 

Тип влагозащитного материала определяет технологию нанесения

При выборе защитного материала очень важно учесть все нюансы, так как значение имеет не только вязкость материала. С точки зрения защиты окружающей среды есть определенные пункты, на которые также нужно обращать внимание. Например, следует учитывать внутризаводские правила, касающиеся защитных материалов, содержащих растворители. Не менее важную роль играет и оборудование, которым предприятие уже оснащено. Оборудование для сушки влагозащитного покрытия может быть на базе модулей ИК-излучения, конвекции или УФ-излучения. Тип передачи тепла значительно сокращает диапазон выбора влагозащитного покрытия.

Прежде всего, тип влагозащитного покрытия определяется способами нанесения, с которыми может работать установка. Именно по этой причине компания Rehm разработала универсальную установку Protecto, способную гибко подстраиваться под требования практически любой производственной среды. Установка Protecto в базовом исполнении с одним дозатором является оптимальным решением для несложных задач. Однако ее конструкция предусматривает одновременное оснащение машины четырьмя различными дозаторами. С одной стороны, это позволяет наносить покрытие синхронно на четыре печатные платы в режиме «ведущий-ведомый». С другой стороны, наличие четырех дозаторов предполагает одновременное использование до четырех видов защитных материалов, причем без потерь времени на их замену. Благодаря такой гибкости стал возможным выбор дозатора и материала с необходимыми физико-химическими характеристиками индивидуально для каждой программы.

 

Разные виды клапанов для гибкого процесса нанесения

Для нанесения влагозащитного покрытия посредством установки Protecto предлагается широкий выбор клапанов и насадок. Здесь действует все тот же принцип: процесс и используемый тип материала определяют оснащение установки. Мембранный клапан подходит при использовании агрессивных материалов. Клапан игольчатого типа отличается высокой прочностью и применяется при наличии небольших «мертвых пространств». Клапан распыления отлично подходит для нанесения покрытия на большие пространства. Поршневой клапан позволяет работать с высоковязкими материалами. Эксцентриковый шнековый клапан обеспечивает однородность нанесения, а клапан завесы может без брызг заполнять большие зоны. Для повышения гибкости можно использовать и каплеструйный клапан, прежде всего в комбинации с запатентованными насадками StreamCoat. Наружный диаметр 2,4 мм и длина 100 мм делают возможным оптимальное нанесение покрытия между высокими компонентами в условиях плотного монтажа. Диспенсирование, распыление, каплеструйное нанесение — ключевые слова, которые объединяют сложный и высокотехнологичный процесс. Для каждой производственной задачи существует свой способ нанесения, который при правильном подборе материала обеспечивает отличные результаты. В одной установке Protecto можно использовать все известные способы нанесения влагозащитного покрытия, которые будут точно соответствовать требованиям заказчика.

Рассмотрим принцип действия и возможности применения каждого клапана в отдельности.

Мембранный клапан

Мембранный клапан относится к большой группе пропорциональных двухпозиционных регуляторов давления (рис. 5). Специальная мембрана (2) удерживает материал (1) под давлением внутри клапана. Под действием сжатого воздуха (3) мембрана, равно как и пружина (4), поднимается в крайнее верхнее положение, в результате чего материал, поступая через насадку (5), наносится на печатный узел. После отключения сжатого воздуха пружина возвращает мембрану в исходное положение — подача материала прекращается. Сверху головки дозатора предусмотрена специальная рифленая гайка (6), с помощью которой можно настраивать интенсивность потока материала вручную.

Устройство мембранного клапана

Рис. 5. Устройство мембранного клапана:
1 — материал внутри клапана;
2 — специальная мембрана;
3 — подача сжатого воздуха;
4 — пружина;
5 — насадка;
6 — рифленая гайка

Главное преимущество данного вида клапана — обособление подачи материала от органов управления, в результате чего могут быть использованы агрессивные жидкости. Другими немаловажными плюсами являются прочность и долгий срок его эксплуатации. К недостаткам мембранного клапана следует отнести большой объем между мембраной и позицией выхода материала из насадки, так называемое мертвое пространство, и замедленное время реакции. Обусловленное некоторыми факторами стремление к образованию капель, в частности некорректный обрыв нити материала, особенно при использовании высоковязких веществ, может приводить к ошибкам на конечной стадии нанесения.

Мембранные клапаны применяют в основном для нанесения конформного материала на небольшие участки изделия. В процессе нанесения необходимо учитывать правильность установки зазора между насадкой и поверхностью печатного узла. Слишком маленький зазор приведет к тому, что насадка погрузится в только что нанесенный материал и при извлечении образуется его растягивание. Также и слишком большой зазор станет причиной некачественного нанесения. Отличие ожидаемого результата от фактического может сильно проявиться при нанесении материала по дуге. На рис. 6 можно увидеть, что с увеличением расстояния между насадкой и тестовой бумагой нанесение материала на уголках становится менее четким. Оптимальное расстояние, в зависимости от наносимого объема материала и скорости передвижения дозатора, составляет примерно 0,5–5 мм.

Нанесение влагозащитного материала мембранным клапаном

Рис. 6. Нанесение влагозащитного материала мембранным клапаном

Скорость перемещения дозатора также должна соответствовать давлению, с которым наносится материал. При быстром перемещении дозатора нарушается однородность нанесения материала, что может приводить к «пустотам» (рис. 6). Приемлемой скоростью нанесения считается диапазон 10–100 мм/с. Изменяя давление, можно легко настраивать объем и толщину наносимого материала.

Для данного типа клапана Rehm Thermal Systems предлагает специальные запатентованные насадки, разработанные компанией KC Produkte. C помощью насадок Stream-Coat и опционально подключаемого скрытого воздушного сопла наносится материал как средней, так и высокой вязкости (рис. 7).

Насадки Stream-Coat

Рис. 7. Насадки Stream-Coat

Опциональное сопло позволяет значительно увеличить ширину наносимого материала, которая в зависимости от типа материала может составлять от 2 до 20 мм. Таким способом быстро и равномерно покрывают большие зоны печатных узлов.

Игольчатый клапан

Игольчатый клапан также относится к группе дозаторов, управляемых посредством давления. В деактивированном состоянии влагозащитный материал (1) удерживается в клапане за счет закрытого седла иглы (2). Поступающий сжатый воздух (3) поднимает посредством поршня (4) напряженную пружину (5) и вместе с ней клапан (6). Материал начинает поступать на насадку. После отключения сжатого воздуха подача материала прекращается. Сверху головки дозатора предусмотрена специальная рифленая гайка (7), с помощью которой можно настраивать поток материала вручную (рис. 8).

Устройство игольчатого клапана

Рис. 8. Устройство игольчатого клапана:
1 — влагозащитный материал;
2 — закрытое седло иглы;
3 — поступающий сжатый воздух;
4 — поршень;
5 — напряженная пружина;
6 — клапан;
7 — рифленая гайка

Преимуществами данного клапана являются возможность его использования в небольших «мертвых пространствах» и высокая прочность. К недостаткам относятся медленное время реакции, а иногда и неправильный обрыв нити материала на конечной стадии нанесения (рис. 9).

Неправильный обрыв нити материала

Рис. 9. Неправильный обрыв нити материала

Причина неправильного обрыва нити материала может быть обусловлена некоторыми системными факторами. Например, закрытие заслонки в игольчатом и мембранном клапане происходит в момент движения материала внутри трубки. Это приводит к тому, что оставшийся материал попадает в насадку и образует каплю.

Данный клапан позволяет наносить материалы высокой и средней вязкости. При использовании игольчатого клапана необходимо учитывать, что материал может наноситься с избытком из-за небольшой ширины линии нанесения и (или) плотного потока. В итоге в процессе отверждения высыхает только верхний слой материала, а нижний остается жидким. Впоследствии это может стать причиной образования трещин, через которые будет попадать влага. Особенно высок риск образования трещин при резкой смене температуры окружающей среды.

Распылительный клапан

Распылительный клапан представляет собой усовершенствованную версию игольчатого клапана. Принцип открытия и закрытия отсеков распылительного клапана точно совпадает с предыдущим описанием. Отличительной особенностью является возможность подключения регулируемого потока воздуха. При нагнетании воздуха (2) на насадку начинается распыление материала (1). В зависимости от геометрии насадки пятно распыления может иметь разную форму. Преимущество данного клапана заключается в возможности нанесения покрытия на большую область за очень короткое время. К недостаткам следует отнести тот факт, что при данном способе нанесения мельчайшие брызги создают облако тумана, из-за которого конформный материал попадает на нежелательные участки печатного узла (рис. 10).

Устройство распылительного клапана

Рис. 10. Устройство распылительного клапана:
1 — распыление материала;
2 — нагнетание воздуха на насадку

Поршневой клапан

Поршневой клапан применяется для нанесения материалов средней и высокой вязкости, а также для заливочных компаундов. Поршневой шток (2) удерживает материал (1) под давлением и не дает ему просочиться сквозь пропускное отверстие (3). Под действием сжатого воздуха (4) поршневой шток опускается вниз — начинается подача материала. При отключении подачи воздуха поршневой шток с помощью пружины (5) возвращается в верхнее положение, перекрывая поток материала (рис. 11).

Устройство поршневого клапана

Рис. 11. Устройство поршневого клапана:
1 — материал под давлением;
2 — поршневой шток;
3 — пропускное отверстие;
4 — подача сжатого воздуха;
5 — пружина

Закрытие клапана против потока материала создает условия ограниченного вакуума, благодаря чему материал возвращается в насадку (рис. 12).

Возвратный эффект

Рис. 12. Возвратный эффект

Благодаря возвратному эффекту поршневого клапана исключается неправильный обрыв нити материала (рис. 9). С помощью рельефной гайки (6) настраивают ход поршня и интенсивность возвратного эффекта. Преимуществами данного клапана являются возможность возврата материала в насадку, а также высокая прочность и простота. К недостаткам клапана относится ограничение применения материалов с низкой вязкостью.

Эксцентриковый шнековый клапан

Эксцентриковый шнековый клапан относится к большой группе систем объемного дозирования. С помощью данного клапана материал наносится равномерно, без пульсаций, вне зависимости от давления или вязкости.

Влагозащитный материал под давлением находится в дозаторе (1). Подача материала осуществляется с помощью винтовой пары, которая состоит из статичного элемента — эластомерного статора (3) и подвижной части — ротора (2). Возможность вращения ротора в обоих направлениях обеспечивает возвратное движение материала и исключает как неправильный обрыв нити, так и неконтролируемое падение капель в конце цикла. Данный аппликатор применяется как для низко-, так и для высоковязких материалов (рис. 13).

Устройство эксцентрикового шнекового клапана

Рис. 13. Устройство эксцентрикового шнекового клапана:
1 — дозатор;
2 — ротор;
3 — эластомерный статор

Клапан завесы

Принцип работы клапана завесы основан на работе игольчатого клапана. Быстрое открытие и закрытие иглы обеспечивается при помощи электропневматического управления. Давление воздуха (1) в клапане постоянно поддерживается при помощи соленоида (2). При подаче питания на катушку (3) сердечник втягивается, открывая отверстие для подачи воздуха. Давление воздуха поднимает поршень (4) и соединенную с ним иглу (5). Материал (6) начинает свободно поступать через насадку (7). При снятии питания с катушки сердечник перекрывает ход воздуха по каналу. Пружина принудительного подъема возвращает иглу в исходное положение, прекращая подачу материала. С помощью рельефной гайки (8) можно настраивать ход иглы и интенсивность подачи материала (рис. 14).

Устройство клапана завесы

Рис. 14. Устройство клапана завесы:
1 — давление воздуха в клапане;
2 — соленоид;
3 — катушка;
4 — поршень;
5 — игла;
6 — материал;
7 — насадка;
8 — рельефная гайка

Посредством насадки со специальной формой образуется завеса, ширину которой можно настраивать, изменяя давление подачи материала. В зависимости от давления ширина завесы может находиться в диапазоне 3–20 мм (рис. 15).

Клапан завесы

Рис. 15. Клапан завесы

Интуитивное программное обеспечение Protecto с функцией автоматического измерения ширины завесы позволяет точно установить желаемую ширину. В рамках одной программы предусмотрено использование завес с разной шириной. Преимуществом данного клапана является возможность нанесения материала со скоростью до 600 мм/с. Это позволяет наносить конформное покрытие за максимально короткий промежуток времени. Нанесение материала при таком способе происходит без подачи воздуха на насадку, что сокращает риск появления брызг и попадания материала на нежелательные участки (рис. 16).

Образец нанесения материала клапаном завесы

Рис. 16. Образец нанесения материала клапаном завесы

Однако клапан завесы работает только с низковязкими материалами. При работе с высоковязкими материалами исключается возможность подбора завесы нужной ширины. Из-за большого расхода материала данный способ не подходит для нанесения покрытий в случаях, где предусмотренное расстояние между участками, покрываемыми материалом, и непокрытыми зонами. Недостатком этого способа является также появление теневых зон при нанесении материала на высокие компоненты. Для заполнения теневых зон необходимо менять направление нанесения или сразу заполнять необходимые участки небольшим количеством материала.

Каплеструйный клапан

Конструкция каплеструйного клапана предполагает быстрое точечное нанесение материала. Облегченный вес конструкции клапана позволяет наносить материал с частотой до 120 Гц. Это означает, что машина может наносить до 120 точек в секунду. В выключенном состоянии материал (1) удерживается в седле иглы (2) с помощью затвора (3). При подаче электрического импульса на соленоид (4) толкатель (5) открывает подачу воздуха. Под давлением воздуха (6) затвор поднимается в крайнее верхнее положение. При снятии электрического импульса с соленоида пружины (7) опускают затвор в седло иглы. Материал, скопившийся в игле в открытой фазе, выходит под воздействием импульса из отверстия (8), как видно на рис. 17.

Устройство каплеструйного клапана

Рис. 17. Устройство каплеструйного клапана:
1 — материал;
2 — седло иглы;
3 — затвор;
4 — соленоид;
5 — толкатель;
6 — подача воздуха;
7 — пружина;
8 — отверстие

Программное обеспечение позволяет индивидуально настраивать такие параметры, как скорость работы приводов, частота нанесения точек, длительность фазы и давление материала. Изменение частоты нанесения точек определяет количество точек в секунду. В зависимости от частоты нанесения и скорости работы приводов система способна наносить материал или отдельными точками, или линиями (рис. 18).

Зависимость нанесения материала от частоты

Рис. 18. Зависимость нанесения материала от частоты

С помощью параметра длительности фазы можно задавать настройки широтно-импульсной модуляции (рис. 19), то есть отношение между активной (с напряжением) и пассивной (без напряжения) фазой длительности периода (частоты).

Принцип широтно-импульсной модуляции

Рис. 19. Принцип широтно-импульсной модуляции

Данный принцип позволяет легко регулировать размер точки, не прибегая к изменению давления наносимого материала (рис. 20).

Зависимость размера точек от длительности фазы

Рис. 20. Зависимость размера точек от длительности фазы

При растущей тенденции применять все меньшие по размеру компоненты и использовать плотный монтаж данная технология представляет собой единственную возможность точного и качественного нанесения влагозащитного материала. Из-за отсутствия других альтернатив нанесения — это технология будущего. Скорость нанесения при данном способе достигает 350 мм/с.

Для указанного типа клапана Rehm Thermal Systems предлагает специальные запатентованные насадки Vario Coat, разработанные компанией KC Produkte. C помощью насадок Vario Coat и опционально подключаемого скрытого воздушного сопла возможно нанесение материала под корпус компонентов. Реализуемый показатель — ширина линии 20 мм и более. Для полного нанесения материала на бумагу формата А4 и толщиной 70 мкм достаточно всего 14 с (рис. 21).

Ширина нанесения покрытия насадкой Vario Coat

Рис. 21. Ширина нанесения покрытия насадкой Vario Coat

В рамках одной программы, используя насадки Vario Coat, не теряя времени на переоснащение, но изменяя настройки, можно наносить материал сразу тремя способами (распылением, каплеструйно и линиями), как показано на рис. 22.

Возможности насадок Vario Coat

Рис. 22. Возможности насадок Vario Coat

Преимущества данного клапана заключаются в способности селективно наносить материал на компоненты или под них, а также легко программно настраивать ширину линии.

 

Выводы

Постоянное усовершенствование электронных технологий приводит к появлению все более сложных узлов. Условия эксплуатации электроники становятся все многообразнее. Факт, что навигационные системы могут бесперебойно работать как летом при +30 °C, так и зимой при –20 °C, сегодня очевиден. Большую роль в достижении таких результатов сыграло появление селективного метода нанесения защитных покрытий. Миниатюризация электронных устройств и требования обеспечения высокой точности нанесения материала между элементами, которые должны быть покрыты или оставаться свободными от защитного материала, создали потребность поиска правильного метода нанесения. Каплеструйный клапан с запатентованными насадками VarioCoat позволяет решить эту задачу и делает возможным точное нанесение материала разными способами: распылением, каплеструйно и линиями. В силу разносторонности электронной промышленности существуют задачи, где определяющее значение имеет не точность, а скорость нанесения материала. Клапан завесы делает возможным нанесение материала со скоростью 600 мм/с. Для нанесения тиксотропных материалов как нельзя лучше подходит поршневой клапан с эффектом возврата материала в насадку (таблица).

Таблица. Сравнительная таблица клапанов

 

Падение капли после нанесения

Мертвое пространство

Склонность попадания материала на нежелательные участки

Прочность

Точность

Ширина линии

Скорость

Цена

Диапазон вязкости

Мембранный клапан

– –

– –

+

+ +

0

+ +*

+

+ +

+

Игольчатый клапан

+ +

+

+ +

0

+

+

+ +

+

Распылительный клапан

+ +

+

+ +

+

+ +

Поршневой клапан

+ +

+

+

+ +

0

+

+

+ +

Эксцентриковый шнековый клапан

+ +

– –

+

+

0

+

+

+ +

Клапан завесы

+

+ +

+

+

+

+ +

+ +

+

– –

Каплеструйный клапан

+

+ +

+

+

+

+ +*

+

+

+ +

Примечание: (+ +) — отлично; (+) — хорошо; (0) — удовлетворительно; (–) —  неудовлетворительно;

(– –) — крайне неудовлетворительно; (*) — только с применением насадок Stream Coat и Vario Coat.


Индивидуальность установки нанесения покрытия

Установка нанесения покрытия

При поиске нужного решения абсолютно все факторы имеют важное значение. Наряду с техническими возможностями оборудования принимаются во внимание такие аспекты, как сервис, консультации, поддержка и компетентность. Компания Rehm разработала установку нанесения влагозащитных покрытий Protecto, отличающуюся исключительной гибкостью применения. Новейшие запатентованные клапаны и насадки обеспечивают непрерывное, автоматическое и при этом повторяемое нанесение защитного материала.


О компании Rehm

Компания Rehm является ведущим производителем инновационных системных термических решений и пользуется доверием у клиентов во всем мире. Компания располагает филиалами в Европе, Америке и Азии, а также 26 представительствами в разных странах, поэтому имеет возможность не только быстро поставлять оборудование и комплектующие, но и предоставлять отличный сервис на местах — по всему миру и в любое время суток!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *