Введение
Электронные схемы становятся неотъемлемой частью современной жизни. Всё больше процессов, которые когда-то были изолированными и по своей природе ручными, теперь автоматизируются и подключаются к Интернету. В результате электронные схемы постепенно адаптируются для работы во всё более агрессивных условиях: от автомобилей, холодильников и мобильных устройств до аппаратных средств управления самолётами. При этом постоянно возрастают требования к количеству выполняемых функций, скорости работы устройств и их миниатюризации.
Во многих случаях выход из строя схемы в лучшем случае причиняет неудобства, а в худшем – влечёт за собой финансовые потери. Однако по мере того как инфраструктура становится всё более взаимосвязанной, отдельные сбои ставят всю систему (а в некоторых случаях – и человеческие жизни) под угрозу.
Нанесение защитного покрытия – это технология, которая использовалась для повышения надёжности электронных плат, работающих в суровых условиях, в течение последних 50 лет. Защитные покрытия представляют собой тонкие полимерные материалы, которые применяются для защиты металлических поверхностей от коррозии, конденсации, диэлектрических пробоев, а также от образования оловянных «усов». Традиционно эти материалы существуют на основе растворителя, что обеспечивает им низкую вязкость и делает материалы простыми в применении. Однако использование растворителей стало более ограниченным с экологической точки зрения, и потребители всё больше начинают осознавать проблемы, связанные с данными процессами: затраты на удаление и утилизацию токсичных материалов, а также влияние выбросов, возникающих в результате их переработки, на окружающую среду.
С точки зрения этики, материалы без растворителей – разумный выбор. Выбросы вредных веществ на предприятии значительно снизятся. В зависимости от местного, регионального и национального законодательства это приведёт к экономии средств. Такие материалы являются невоспламеняющимися и, как правило, представляют гораздо меньшую опасность для здоровья человека. Зачастую потребности в энергии, необходимой для отверждения материалов без растворителей, значительно ниже, что приводит к снижению затрат на электроэнергию и уменьшению выбросов углекислого газа.
С точки зрения производительности, материалы, не содержащие растворитель, обычно наносятся более густо, что приводит к увеличению площади покрытия и, следовательно, к большей защитной способности. Такие составы являются более современными и предоставляют больше возможностей для удовлетворения повышенных требований защиты в новых условиях применения. К примеру, в автомобильной промышленности требуется устойчивость к термоциклированию, а в аэрокосмической промышленности – повышенное сопротивление к конденсации.
С точки зрения процесса, современные материалы разработаны для более быстрого достижения защитных свойств. Будь то влагоотверждаемые, УФ-отверждаемые или химически отверждаемые – эти материалы предназначены для повышения производительности. В будущем с ростом требований к электронным устройствам и их применениям будут расти и требования к защитным покрытиям. И по мере того как характеристики современных материалов без растворителей будут прогрессировать, разница между этими материалами и устаревающими будет становиться всё более значительной.
УФ-отверждаемые защитные покрытия
Материалы, о которых идёт речь, отверждаются чрезвычайно быстро (в течение нескольких секунд) при воздействии ультрафиолетового излучения с подходящей длиной волны и интенсивностью, что делает использование материалов чрезвычайно важным для увеличения производительности и уменьшения объёма выполняемых работ. УФ-отверждаемые материалы обычно обеспечивают хорошие защитные свойства и улучшенную химическую стойкость по сравнению с другими покрытиями. Они используются в печатной промышленности с 1960-х годов. В 1980-х годах эта технология была перенесена в электронную промышленность.
К сожалению, свет распространяется только по прямой траектории, а отверждение происходит лишь в тех областях, куда он попадает. Из-за трёхмерной структуры печатной платы вполне вероятно, что некоторые её участки не будут полностью освещаться. В частности, материал на задней стороне выводов компонентов и под компонентами. По этой причине для УФ-отверждаемых материалов должен быть предусмотрен вторичный механизм отверждения, который может работать за счёт влаги, химического вещества или тепла. Отверждение влагой обычно было более предпочтительным, поскольку оно не требует дополнительных процессов. Однако в этом случае материал хорошо отверждается в областях, подверженных воздействию света, что затрудняет диффузию влаги и покрытия, а также выделение уходящих групп (обычно диоксида углерода). Чем лучше барьер покрытия, тем дольше длится процесс вторичного отверждения, и в данном случае речь идёт уже о днях, неделях, месяцах и даже годах. Это можно увидеть на рисунке 1, где в инфракрасном спектре со временем наблюдается исчезновение пика изоционата в основном УФ-влагоотверждаемом материале на предметном стекле с типичной толщиной 150 мкм.
Пик изоцианата исчезал через 93 дня при хранении при +23°С и относительной влажности 50%. Таким образом, материалу потребовалось более трёх месяцев для достижения необходимых свойств. Если мы рассмотрим материал под компонентом, который не подвергался воздействию ультрафиолета и полностью зависит от процесса вторичного отверждения, то станет ясно, что это может занять ещё больше времени. При удалении достаточно небольшой микросхемы через 60 дней были обнаружены пятна довольно вязкого жидкого покрытия в затенённых областях, как показано на рисунке 2.
Процессы вторичного отверждения теплом требуют дополнительных процедур и времени, что в значительной степени нивелирует преимущества быстрого первичного отверждения. Первоначальное быстрое отверждение может создавать значительные уровни напряжения и редко приводит к более чем 70–80% полимеризации. Это означает, что материалы могут содержать реакционноспособные группы, которые остаются бездействующими. После воздействия высоких температур (+100°С) может происходить дополнительная полимеризация, в результате чего материалы продолжают затвердевать, со временем менять свойства и становиться более склонными к растрескиванию во время теплового удара.
Материалы, для которых требуется вторичный химический процесс, полностью отверждаются в течение 6–8 ч при комнатной температуре после воздействия подходящего длинноволнового ультрафиолетового света (от светодиода 365 нм или железо-легированной D-лампы), как показано на рисунке 3. Изоцианатный пик полностью исчез в течение 6 ч. Благодаря уникальной рецептуре этих материалов остаточное напряжение сводится к минимуму, и отверждение происходит с высокой эффективностью, что приводит к минимальным изменениям свойств при термоциклировании.
Чтобы оценить изменения физических свойств материалов в результате процесса термического старения, встречающиеся в типичных экспериментах на термический удар листы испытуемых материалов были сформованы и отверждены с использованием рекомендуемых длин волн и дозы УФ. Эти листы затем извлекали из тефлоновой формы. Из них были изготовлены образцы, которые отверждались в течение 60 дней в условиях окружающей среды (+25°C при относительной влажности 45–55%). Затем пять образцов каждого материала были испытаны на удлинение и модуль упругости при –40, –20, 0, +20, +60, +100 и +130°С. Результаты испытаний приведены далее в тексте.
Для того чтобы оценить изменения свойств материала после термического старения, были построены профили модуля упругости и относительного удлинения при разрыве (см. рис. 4, 5). Если посмотреть на обычный УФ-влагостойкий материал, становится очевидно, что общее удлинение при разрыве материала значительно уменьшается, причём максимальное растяжение происходит в диапазоне от примерно комнатной температуры до +100°C (см. рис. 4а). Это говорит о том, что материалы во время термического старения становятся более хрупкими. Для материала химического отверждения наблюдается общий чистый прирост эластичности и значительно уменьшённый сдвиг в максимальной эластичности примерно от 0 до +20°С (см. рис. 4б). В целом профили схожи, что свидетельствует о том, что материал не сильно изменился в процессе термического старения, оставаясь эластичным и гибким.
На рисунке 5а показано увеличение модуля упругости обычного материала, отверждаемого ультрафиолетом/влагой, что указывает на увеличение жёсткости и значительное увеличение напряжения, приложенного к паяным узлам, в более широком диапазоне, тогда как для материала химического отверждения модуль упругости остаётся постоянным при старении.
Общая картина такова, что обычные материалы имеют тенденцию быть очень жёсткими и неэластичными при температурах ниже температуры окружающей среды, тогда как система химического отверждения оставалась эластичной до –20°C, но всё ещё сохраняла способность к удлинению даже при –40°C.
Коэффициент теплового расширения (CTE) и температуры стеклования (Tg)
В дополнение к приведённым значениям модуля эластичности и удлинения при разрыве: значения CTE и Tg являются важными величинами, которые определяют повреждение, нанесённое паяным узлам во время тепловых отклонений. Несоответствие между CTE сборки и покрытия является, по крайней мере, одной из причин растрескивания покрытий во время испытаний на термический удар.
Значения CTE для различных покрытий были измерены с помощью цифровой корреляции изображений (DIC) – высокоточной методологии оптических измерений (см. рис. 6). Эта методика измерений особенно хорошо подходит для материалов покрытий, где обычные методы термомеханического анализа (ТМА) могут быть неточными из-за размягчения образца. Листы образцов были изготовлены, отверждены и состарены вместе с теми, которые использовались для исследования модуля и удлинения эластичности при разрыве. Результаты работы DIC приведены в таблице 1. CTE1 – это CTE в области ниже Tg, а CTE2 – значение CTE в области выше Tg.
Эти данные, как показано на рисунке 8, подчёркивают, что Tg различных плёнок не только увеличивается с возрастом (в большей или меньшей степени), но во время процесса старения происходит и соответствующее снижение CTE. Материалы, отверждаемые ультрафиолетом/влагой, показали значительно увеличенный сдвиг в Tg и большие изменения в CTE (особенно в CTE2). Это указывает на то, что во время термического старения материал становится всё более сшитым, что снова согласуется с данными удлинения и модуля упругости, показанными ранее.
Тестирование на тепловой удар
Отсутствие изменений в физических свойствах во время термического старения является важным параметром при выборе материала. Ключ к производительности для конечного пользователя заключается в том, сможет ли материал выдержать требуемый профиль теплового удара, не растрескиваясь и не создавая дополнительную нагрузку на паяные узлы.
Чтобы исследовать это, 12 автомобильных блоков управления двигателем были выборочно покрыты каждым из пяти тестируемых материалов. Четыре платы были подвергнуты эксперименту с полным тепловым ударом при температуре от –40 до +130°С, четыре платы были подвергнуты режиму термического удара при температуре от 0 до +130°С, остальные платы – от –40 до +60°С. После 250 циклов испытаний платы визуально проверяли на наличие трещин в покрытии. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Самым поразительным наблюдением в этой экспериментальной работе является то, что было обнаружено так мало трещин на платах, подвергнутых циклу от –40 до +60°С, и то, что различия между платами, прошедшими другие режимы удара, столь незначительны.
Материалы, которые имели наиболее стабильные свойства в процессе термического старения, материалы химического отверждения и УФ/химического отверждения, демонстрировали минимальное растрескивание во время эксперимента с термическим ударом (как показано на рис. 7). UV1, который обладал наиболее стабильными свойствами термического старения среди обычных материалов, отверждаемых ультрафиолетовым излучением и влагой, демонстрировал гораздо более низкий уровень растрескивания, чем UV2 и UV3 (см. рис. 8).
Заключение
Таким образом, было показано, что процесс УФ/химического отверждения займёт около 6 ч, тогда как для полного отверждения УФ/влагой потребовалось более трёх месяцев. УФ/химически отверждаемый материал значительно улучшил стабильность основных физических свойств во время термического старения по сравнению с обычными УФ/влагоотверждаемыми материалами. Эта улучшенная стабильность свойств привела к значительному улучшению стойкости покрытия к тепловому удару по сравнению с обычными материалами, отверждаемыми только УФ.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
