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三防漆及其去除技术的研究综述

2019年04月06日 点击:

摘 要:三防漆涂覆于印制线路板及其组件的表面,可以有效地保护电路免遭恶劣环境的侵蚀、破坏,从而提高并延长它们的使用寿命,确保使用的安全性和可靠性。而在电子组装的返修工艺和失效分析中,将三防漆去除干净且不对组件造成损伤是十分重要的。主要介绍了三防漆的种类与性能,并分析总结了不同种类三防漆的去除工艺方法。

关键词:三防漆;去除涂覆层;返修

 

0 引言

电子产品在使用和贮存过程中,通常需经受如化学、震动、高尘、盐雾、潮湿与高温等环境,线路板及其电子元器件可能产生腐蚀、软化、变形和霉变等问题,导致线路板电路出现故障。因此,在航天航空、工业控制、仪器仪表和消费类电子,以及汽车行业等领域,为使电子产品 (主要是指印制电路板)具有良好的三防保护能力,在印制电路板调试后通常会喷涂三防保护涂料 [1-2]。

此外,三防后的印制电路组装件在通电调试和可靠性试验中不可避免地还会出现各种问题,此时就不得不进行元器件的返修或更换。这种三防条件下的印制电路组件返修由于其工艺状况的复杂性和对产品可靠性影响的不确定性,一直被认为是电子组装和失效分析技术中的难点,成为设计师、工艺人员和质量管理者共同关注的问题[3]。本文主要介绍了三防漆的种类与性能,并分析总结了不同种类三防漆的去除工艺方法。

1 三防漆的种类与性能

1.1 三防漆的作用

三防漆 (Conformal Coating)是一种特殊配方的涂料,具有良好的耐高低温性能,以及优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化和耐电晕等性能 [4]。根据每个地区和每个厂家使用的要求和侧重面,三防漆有多种叫法,如三防胶、防潮胶、绝缘胶、防潮漆、保护漆、防护漆、披覆胶、涂覆胶、防水胶、防潮油、三防油、三防剂、保护剂、防潮剂和保形涂料、敷型涂料、共形覆膜、共性涂覆等。

三防漆涂覆于印制线路板及其相关分立器件、集成电路的表面,固化后成一层透明保护膜,可有效地隔离线路板,并可保护电路免遭恶劣环境的侵蚀、破坏,从而提高并延长它们的使用寿命,确保使用的安全性和可靠性。此外,三防漆可以起到屏蔽和消除电磁干扰和防止线路短路的作用,提高线路板的绝缘性能,允许更高的功率和更近的印制板间距,从而可满足元件小型化的目的。

1.2 三防漆的种类

根据美军标MIL-I-46058C,三防漆从化学成分上主要可分为丙烯酸树脂 (Acrylic,Type AR)、环氧树脂 (Epoxy,Type ER)、有机硅 (Silicone,Type SR)、聚氨酯(Urethane,Type UR)和 聚对二甲苯 (Parylene,Type XY)五 大类 [5]。而 从固化方式上,有溶剂型固化、室温固化、热固化和紫外光固化等。根据当前三防漆材料市场使用情况的调查统计结果(如图 1 所 示 ),62 %的 用户主要使用聚氨酯类三防漆,是目前市场应用最广的产品 [6-9]。

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1.3 三防漆材料的主要性能

不 同 种 类 三 防 漆 材 料 的 主 要 性 能 比 较 如 表1 [10] 所示。

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1.3.1 含溶剂丙烯酸树脂三防漆

有理想的电性能、物理性能和抗霉菌性能,适用期长,容易涂覆,固化时间短,且固化时不放热,不至于损坏热敏元件,固化后无收缩。此外质地柔韧,对溶剂敏感,具有易以修复的特征。

1.3.2 环氧树脂类三防漆

一般为双组份,适用期短,防潮性能、抗盐雾性能和抗化学品性能好,更换元件或修理电路板必须用物理手段剥离掉环氧树脂膜,涂覆前需对易碎元件施加保护措施。

1.3.3 有机硅三防漆

柔软的弹性涂层材料,有耐溶剂型和溶剂清除型两种产品,能很好的释放压力,耐高温200 ℃,具有很好的耐化学腐蚀性和耐盐喷特性,易修复,且具有显著的电绝缘特性,适合那些有高发热元件,例如大功率电阻多的高频电路板。

1.3.4 聚氨酯类三防漆

有单组份和双组份两种,长期介电性好,有优越的防潮性能和耐溶剂性能,且在低温环境下性能稳定。涂覆前必须保证电路板清洁,特别是不能有水分存在。

1.3.5 聚对二甲苯类三防漆

聚对二甲苯类三防漆采用独特的真空气相沉积工艺制备,具有涂层厚度均匀、致密无针孔、透明无应力、不含助剂、不损伤工件、电绝缘性和防护性好等优异性能,是目前所知高频元件、高密度组件、高绝缘组件最有效的防护涂层材料。

1.3.6 UV 固化类三防漆

紫外光 (UV)固 化 技 术 由 于 具 有 高效(Efficient)、节能 (Energy saving)、环保 (Environmental friendly)、经济 (Economic)和 万能性(Enabling)而 被 人 们 称 之 为 “5E”技术,并随着人类对环境保护的重视得到了长足的发展。UV 固化类三防漆不需要溶剂,不燃烧,不含挥发性有机化合物 ,符合现行和拟议中的环保法规,可提供很好的耐化学性能和耐热性能,柔性好,表面光泽,粘附力强,覆盖好,固化时问短,是其他产品的几分之一 (以秒计算)。目前紫外光固化三防漆按预聚物基体树脂的种类来分主要有以下4 类:不饱和聚酯类、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸酯化的丙烯酸树脂。


1.4 涂覆材料的选择原则

三防漆的理化性能和工艺性能各有差异,应根据具体的工作环境、电性能要求和线路板布局等综合选择适合产品的涂覆材料。

2 三防漆涂覆层的去除工艺

对已涂覆有三防漆的印制电路组件进行返修,更换有缺陷的元器件时,应根据要返修的部位,先清除该部位上的表面涂覆层,并且不能影响到周围的元器件及涂覆表面。此外,在集成电路和分立电子元器件失效分析中,器件表面涂覆的三防漆会妨碍我们对器件表面真实封装形貌的观察,并且将会对扫描声学显微观察的结果产生影响。因此将三防漆去除干净且不对元器件造成损伤,对于电子元器件的组装工艺和失效分析结果的准确性是十分重要的。

目前国内外常用的三防漆去除方法有机械方法、加热法、微研磨法和化学溶剂法等 [11-12],如图 2 所示。在一些情况下,可能还需要把几种去除技术结合使用。

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2.1 机械方法

机械方法指用锋利的小刀或手握砂轮等工具刮、切或打磨漆层,或者采用竹签等器具手工进行物理剥离,这对操作者提出了较高的要求,容易给产品带来严重的损害。虽然机械方法去掉三防漆保护层也许是最容易的方法,但却是人们最不愿意使用的。

2.2 加热法

一般采用电烙铁直接加热到一定的温度把三防漆烧透。但是多数固化后的三防漆能耐住很高的温度,需要非常高的温度和/或长的时间去除,会使旁边的漆膜变色或老化,留下一些残留物,甚至可能会烧焦层压基材或使之分离。而且一些对温度较敏感的元器件不适合采用此方法。此外,某些三防漆加热后会释放有毒气体,需采取相应的保护措施。

2.3 微研磨法

采用喷刷方式,将特殊配方的介质微粒导入压缩气流,在特定可调的压力下将介质有选择性地喷射到所需清除三防涂层的部位,将 PCB 及元器件上的三防涂层快速、有效地清除。微研磨法操作必须非常熟练,不能让高速粒子进入研磨位置周围的柔软保护膜中。此外,在高速粒子通过的路径上会产生静电荷,易造成静电损伤。目前通过离子风刀、定制 ESD 手柄和喷嘴、静电消散底板和接触探头进行 ESD 防护,ESD 电压可控制在±10 V 的范围内。并且许多微研磨系统有抗静电电离器,在装置的内部有接地点。

选用媒介的种类 (微粒大小、形状、硬度及静电值)对去除效果有直接的影响,目前常用的介质微粒有以下几种。

2.3.1 生物媒介 (如胡桃壳)

一种较软的媒介,适用于各种三防漆涂覆层,大颗粒 (直径 250 μm)的 胡桃壳能够迅速地去除涂覆层,而且由于本身材质较软,操作失误时带来的后果也不会很严重,其生物降解性也不会对环境造成污染。但会产生残留物,且会产生非常高的 ESD 电 压 ,在 某 些 应 用 中 可 高 达 25000 V。

2.3.2 塑料媒介

硬度类似胡桃壳,颗粒比胡桃壳略小 (直径200 μm),去除涂覆层的时间较长,但能减少静电释放,且可重复使用。

2.3.3 碳酸氢钠

最软的一种,针状或单晶状的结构使之成为打磨柔韧材料的最佳选择,可用来去除较硬的难处理的涂层,溶于水因此非常容易清洁。

2.3.4 三氧化二铝

较硬的媒介,可打磨电路板,所产生的静电电压通常在500~1 000 V 之间。

2.4 化学溶剂法

这是目前去掉三防漆涂覆层最常用的办法。化学溶剂法能否成功取决于需去除的三防漆涂覆层的化学性质和具体溶剂的化学性质。所选用的化学溶剂要确保不会损坏基板和返工位置邻近的部位。在大多数情况下,化学溶剂并不真正把涂覆层溶解掉,而是让它膨胀。涂覆层一旦膨胀,就可以很容易地把它轻轻刮掉,或者轻轻擦掉,如有机硅三防漆。

需要去掉电路板两面的整个涂覆层时,必须把整个电 路 板 浸 入 溶 剂 或 者 溶 剂/保 护 层 清 除 剂 中 。

三防漆涂覆层的去除时间取决于涂覆层的具体组分、所选的溶剂,以及涂覆层的厚度。将溶剂或保护膜清除剂加热,或采用超声搅拌,可以减少浸泡时间。有时,可能需要用刷子将涂覆层残余去除干净。当涂覆层去除干净后,需立即用乙醇 (异丙醇或甲醇)进行清洗,并经去离子水洗涤后进行干燥。

对于印制电路板局部区域或元器件表面涂覆层,可直接用棉签蘸取溶剂或凝胶状溶剂将涂覆层擦除。或者在待更换元器件的周围,用掩膜构成一个堤坝,把溶剂或涂覆层清除剂始终保持在指定的地方。

3 不同类型三防漆的去除工艺方法

我们将对不同三防漆涂覆层所适用的去除技术进行了归纳总结,如表 2 所示。因根据返工元件的环境、特性决定最适当的三防漆涂覆层的去除工艺,以节约资金和时间。

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4 结束语

三防漆涂覆于印制线路板及其组件的表面,可有效地隔离线路板,并可保护电路免遭恶劣环境的侵蚀、破坏,从而提高并延长它们的使用寿命,确保使用的安全性和可靠性。而在电子组装的返修工艺和失效分析中,将三防漆去除干净且不对组件造成损伤是十分重要的。因此印制电路组件的三防漆的选用及涂覆层的返修去除是一项很值得研究而且需要极其重视的工艺。随着元器件的微型化程度不断提高,选择适合产品特点的三防漆并制定一套完整实用的涂覆层去除工艺,都对产品的质量起着至关重要的作用。

 

参考文献:

[1] 陆勇. 印制电路板组件表面三防涂覆材料性能研究 [J] .电子产品可靠性与环境试验,2000,(18)5:25-28.

[2] 李星,王晓慧. 舰载机三防设计技术研究综述 [J] . 装备环境工程,2006,3 (4):12-15.

[3] 张伟,孙守红. 三防和固封以及混装 PCB 返修技术 [J] .电子工艺技术,2013,34 (1):34-36.

[4] 黄萍,张静. 印制电路组件三防涂覆工艺研究 [J] . 电子工艺技术,2007,28 (6):324-329.

[ 5] MIL -I -46058C -1972,Military specification:Insulatingcompound,electrical (for coating printed circuit assemblies)[S] .

[6] PARTON J W. Conformal coating removal [M] . ElectronicServicing & Technology,July 1992.

[7] 朱旺. 海洋气候条件下的三防工艺研究 [J] . 电子工艺技术,2010,31 (1):54-57.

[8] Vaughn Martin,New Method of Stripping Conformal Coating [R],Electronic Repair Basics,March 1995

[ 9] Reprinted from “ FundamentalRequirements For StaticProtective Containers” by J.R. Huntsman,D.M. Yenni,Jr.,and G.E. Mueller,Static Control Systems/3M,St.Paul,Minnesota.

[ 10] 吴 礼 群 . Parylene 敷形 涂 层 [ J] . 电 子 机 械 工 程 ,2004,20 (6):54-61.

[11] 简卫东,谢陈难. PARYLENE 真空涂覆后模块BGA 芯片 的 返 修 工 艺 研 究[J] . 舰 船 电 子 工 程 ,2012,32(4):140-141.

[12] 张立明. 印制板组件的三防涂覆及其去除工艺印制电路板 [J] . 电子工艺技术,2009,30 (3):154-161.

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