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Schutzlackierte Baugruppen für Haushaltsgeräte.
Die von TTnS (Vertrieb: Multi-Components) entwickelten Sprühköpfe ermöglichen linienförmige Sprühvorhänge mit präziser Randbegrenzung ohne Sprühnebel oder spiralförmige Spühmuster.
: Conformal-Coating-System TCM 45a.
Messkamm zur Überprüfung der Schichtdicke mit unterschiedlich hohen Aussparungen, der über die „nasse“ Beschichtung geführt wird.
Auch Schichtdickenmessgeräte sind gebräuchlich.
Mangelhafte Beschichtung unter UV-Licht.
Blasen entstehen durch eingeschlossene Lufttaschen unter der Beschichtung.
Trockner für das Aushärten.

Ziel der Beschichtung von elektronischen Baugruppen ist die Reduzierung von Korrosion und deren Folgeschäden und die daraus resultierende Verbesserung von Lebensdauer, Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit der Endprodukte.

Der Schutz gegen Feuchtigkeit und Betauung sowie chemische Verunreinigungen verhindert Kurzschlüsse und Leckströme, sowie Spannungsüberschläge und Entladungen. Beim Baugruppendesign können engere Leiterbahnführung und höhere Leistungen realisiert werden. Whisker- und Dendritenwachstum sowie Elektromigration werden verhindert und die Ermüdung von Lötverbindungen reduziert.

Bevorzugte Anwendungsgebiete sind alle Industriezweige, in denen hohe Zuverlässigkeit bei kritischen Umgebungsbedingungen gefordert ist.
Die Richtlinien zur Bewertung von Schutzbeschichtungen finden sich in den Normen IEC 61086, IEC60464, IPC CC 830, IPC HDBK-830.

Was ist Conformal Coating?

Als Conformal-Coating bezeichnet man einen, den Konturen (conform) elektronischer Baugruppen und den darauf befindlichen Bauteilen folgenden, dünnen Auftrag flexibler Schichten, mit klebefreien Oberflächen von meist transparenten polymeren Materialien, der in Farbe und Gefüge gleichförmig ist. Dabei soll eine möglichst gleichmäßige, nicht zu dicke oder zu dünne Schichtstärke erzielt werden. Die Schichtdicke hat einen wesentlichen Anteil an der Schutzwirkung, was aber nicht bedeuten muss – je dicker desto besser.

Die gängigen Beschichtungsmaterialien trocknen aber auch um so langsamer, je dicker die Schichtstärke ist. Eine nicht komplett durchgehärtete Beschichtung hat schlechte Haftung und Isolationseigenschaften zur Folge. Neben dem Einschluss von Lösungsmittel kann dann ein zu dicker Auftrag Lufteinschlüsse zur Folge haben, was, je nach Material, zu übermäßigem Schrumpfen oder Rissbildung führt.

Zu dünne Schichten wiederum haben ganz einfach zu wenig Schutzwirkung. Insbesondere an Bauelementekanten kommt es dann zu ungenügenden Schichtstärken.

Die heute bei Dünnschichttechnik empfohlenen Schichtstärken variieren je nach Material und liegen bei ca.  20 bis 150 µm. Trotz dünner Schichtstärken ist auch ein guter mechanischer Schutz gegen Vibrations- und Stoßbelastung gegeben.

Voraussetzungen für effektive Beschichtung

Die Effektivität der Beschichtung kann durch eine vorherige gründliche Reinigung der Baugruppen von allen Verunreinigungen wesentlich verbessert werden. Ausfälle auf beschichteten Baugruppen sind fast immer auf Verunreinigungen auf der Leiterplatte oder den Bauteilen zurückzuführen. Dies können neben Stäuben mit ionischen Bestandteilen oder Fingerprints mit fett- oder säurehaltigen Rückständen vor Allem Stoffe wie Harze, Aktivatoren aus Flussmittelrückständen vom Lötprozess oder Rückstände von Formtrennmitteln sein auf Bauelemeoberflächen.

Diese Verunreinigungen verschlechtern die Haftung der Beschichtung und fördern Delamination. Unter der Beschichtung eingeschlossene ionische Rückstände führen in Verbindung mit Feuchtigkeit zu Migration – wichtig ist die Dampfdurchlässigkeit der Materialien – und fördern langfristig den Ausfall einer Baugruppe.

Die Einsatzkriterien

Für die Auswahl geeigneten Materials für die Beschichtung ist neben den Einsatzkriterien der Verarbeitungsprozess, die Aushärtekriterien sowie Fertigungsdurchsatz wichtig. Eine der wesentlichen Eigenschaften der ausgehärteten Beschichtung soll der Schutz gegen Feuchtigkeit sein. Nicht alle Beschichtungsmaterialien sind absolut „wasserdicht“. Sie verhindern jedoch das Eindringen ionischer Verunreinigungen, die zusammen mit Wasser leitfähige Verbindungen bilden können. Bei der Auswahl ist die Dampfdurchlässigkeit deshalb ein wichtiger Parameter.

  • Wogegen soll die Baugruppe geschützt werden? Geht es um Feuchte, Betauung, chemische Dämpfe bzw. Gase oder mechanische Beanspruchung?
  • Welche Arbeits- und Umgebungstemperaturen treten während des Lebenszyklus der Baugruppe auf?
  • Welche chemischen, physikalischen, elektrischen Eigenschaften werden an das Coating Material selbst gestellt. Lagerbedingungen?
  • Sind die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Materials mit denen der Bauteile und Baugruppe kompatibel?
  • Kann die Baugruppe repariert werden nachdem die Beschichtung ausgehärtet ist?
  • Wie schnell kann das Material aufgetragen werden?
  • Welche Ausrüstung eignet sich am Besten zum Auftrag?
  • Welche Aushärtezeit benötigt das Material?

Die Materialien

Welche Materialien sind für Conformal-Coating verfügbar? Auf dem Markt ist eine Fülle von Produkten auf Basis unterschiedlichster  polymerer Bindemittel verfügbar. Diese bestimmen wesentlich die Eigenschaften der Beschichtung.
Silikone mit bevorzugter Schichtstärke von 50 bis 200 µm kommen auf Grund ihrer hervorragenden Temperaturstabilität überall dort zum Einsatz, wo mit weitem Einsatztemperaturbereich zu rechnen ist.

Die Beschichtung bleibt flexibel und bietet guten mechanischen Schutz. Sie bietet  gute Temperarbeständigkeit von -40 bis +200 °C, ist aber nur begrenzt lösungsmittelbeständig und verhindert eine Reparaturmöglichkeit. Sie bieten zwar guter Feuchtigkeitsschutz und gute dielektrische Eigenschaft, lassen sich aber nur schwer auftragen und sind realtiv teuer.

  • Epoxide mit kommen mit Schichtstärken von 25 bis 75 µm zum Einsatz und sind bis ca. 150 °C stabil. Zwar weisen sie einen ähnlichen Temperaturkoeffizienten wie das Leiterpalttenmaterial auf, sind dafür aber vergleichweise wenig flexibel und schwierig beim Reparieren. Insgesamt bieten sie guten mechanischen und Feuchtigkeitsschutz sowie gute dielektrische Eigenschaften.
  • Polyurethane werden bevorzugt mit 25 bis 75 µm Dicke aufgetragen, sind gut verarbeitbar, benötigen aber längere Aushäretezeiten. Sie sind lösungsmittelhaltig, daüfür aber reparaturtauglich und bieten hohe Dauerelastizität und Filmzähigkeit.
  • Acrylate werden in Schichtstärken von 25 bis 75 µm aufgetragen, sind meist einkomponentig auf Lösungsmittelbasis, sind gut feuchtebeständig, haften aber schlecht auf verunreinigten Oberflächen. Die guten Isolationseigenschaften stehen gegen die je nach Härteeinstellung zur Sprödigkeit neigende Oberfläche. Die Reparatur lässt sich mit Lösungsmittel durchführen. Dazu kommt eine begrenzte Temperaturbeständigkeit.

Das Aushärten

Lösungsmittelhaltige Beschichtungsmaterialien sind über einen weiten Bereich chemischer Stoffe verfügbar. Sie trocknen durch die Verdunstung des Lösungsmittels. Sie zeichnen sich durch gute Benetzung, einfaches Auftragen, Reparaturmöglichkeit und schnelles Aushärten aus. Nachteilig sind – je nach Lösungsmittel – leichte Entzündbarkeit, Geruch (Absaugung notwendig) und eventuell VOC-Emission.

Eine Alternative sind wasserverdünnbare Beschichtungstoffe. Das Wasser wird als Dispersionsmittel eingesetzt. Die Vorteile wasserbasierender Materialien entsprechen weitgehend denen der lösungsmittelhaltigen Produkte. Jedoch sind Geruchsbelästigung, Entflammbarkeit nicht gegeben. Je nach Temperatur sind auch kurze Aushärtezeiten zu verzeichnen und die automatische Verarbeitung ist schwieriger. Ferner sind sie gegen Verunreinigung empfindlicher.

Bei lösungsmittelfreien Beschichtungsmaterialien sind insbesondere Silikone und UV- härtende Typen vertreten.
UV-härtende Stoffe zeichnen sich durch schnelle Aushärtezeiten im Bereich von 25 bis 30 s aus. Sie können sehr niedrigviskos sein. Somit eignen sie sich sehr gut für hohe Durchsatzraten. Die Reaktion findet bei Umgebungstemperaturen statt. Es werden keine platzverschwendenden Härteeinrichtungen benötigt.

Der Härteprozess erfolgt allerdings von der Oberfläche aus. Dies ist mit der Gefahr einer ungenügenden Nachhärtung im inneren Bereich verbunden. Nachteilig ist auch eine eventuelle unterschiedliche Aushärtung infolge Schattenbildung. Mittlerweile sind jedoch Materialien verfügbar, die mit zwei Härteprozessen diese Nachteile kompensieren.

Mehrkomponenten-Beschichtungsstoffe wie Epoxidmaterial härten chemisch aus. Nach dem Mischen der Komponenten läuft die chemische Reaktion ab. Die  begrenzte Topfzeit ist der wesentliche Nachteil dieser Technik. Insbesondere bei automatischen Beschichtungssystemem kann dies zu erheblichen Stillstandszeiten führen.

Die Auftragsverfahren

Wurde eine Materialgruppe wie Acryl, Silicon, Urethan, Epoxy etc. ausgewählt, wird die weitere Entscheidung durch Prozess-, Produktions- und wirtschaftliche Kriterien beeinflusst.

  • Wie schnell, mit welcher Technik und Ausrüstung kann das Material aufgetragen werden? Durchsatz?
  • Wie wird das Material ausgehärtet?
  • Welche Ausrüstung gewährleistet gleichmäßige, reproduzierbare Schichtdicken und Konturenschärfe?
  • Kann die Baugruppe nach dem Beschichten repariert werden?
  • Wie hoch sind die Materialkosten?
  • Wie steht es um Umweltgesichtspunkte, wie Geruch etc.?

Neben den meist für Kleinserien gebräuchlichen Auftragsverfahren wie Streichen oder manuelles Aufsprühen mit Sprühpistolen oder Sprühdosen ist im Großserienbereich das Tauchverfahren und die Beschichtung mit Robotersystemen verbreitet. Die Ergebnisse bei manuellen Verfahren führen je nach Erfahrung des Verarbeiters zu ungleichmäßiger, dickerer Schichtstärke und der Gefahr von Lufteinschlüssen.

Als Großserienprozess ist das Tauchverfahren als einfacher Prozess mit hohem Durchsatz und guter Reproduzierbarkeit durchaus gut geeignet. Investition und Betriebskosten sind gering. Das Verfahren ist nicht geeignet für UV-härtendes Material.

Beim Tauchverfahren wird die Baugruppe entweder senkrecht oder waagerecht mittels einer Handlingseinrichtung in den Tank, der das Beschichtungsmaterial, enthält eingetaucht. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und für gute Durchdringung kann die Tauchzeit durchaus bis zu 10 Minuten betragen.

Größere Schichtdicken, insbesondere an Kanten,  können durch mehrmaligen Tauchprozess erzielt werden. Ober- und Unterseite des Produktes können in einem Arbeitsgang beschichtet werden. Da das Material jedoch überall hin gelangt – auch unter Bauteile – müssen Bereiche, die nicht beschichtet werden dürfen, wie Steckerkontakte, Relais usw., durch arbeitsintensives Abdecken geschützt und hinterher das Abdeckmaterial wieder entfernt werden. Ein Nachteil ist auch die aufwendige Umrüstung der Anlage bei Verwendung unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien.

Selektives Conformal-Coating

Als weiteres Großserienverfahren mit hoher Flexibilität hat sich das Sprühverfahren mit Robotersystemen etabliert. Insbesondere das selektive Conformal-Coating gewinnt mit der Technologie hochentwickelter Sprühköpfe immer mehr an Bedeutung. Dabei handelt es sich um einen sehr effektiven Großserienprozess, der dennoch auf Grund des programmgesteuerten Ablaufes hohe Flexibilität ermöglicht.

Ein programmierbares Koordinatensystem verfährt einen oder auch mehrere Sprühköpfe über dem zu beschichtenden Produkt an ausgewählte Bereiche. Das Material wird aus Druckbehältern oder ein Pumpensystem dem Applikationskopf zugeführt. Dabei handelt es sich je nach Material z.B. um ein geschlossenes System, so dass die Materialeigenschaften absolut konstant bleiben.

Für konstante Viskosität des Materials  kann über eine Temperatursteuerung die Temperatur des Beschichtungsmaterials überwacht und konstant gehalten werden. Die aufzutragende Materialmenge wird über ein Nadelventil im Millisekundentakt gesteuert. Für konstante Qualität und Nachverfolgbarkeit kann die jeweilige Materialmenge über ein Durchflussmesssystem überwacht werden. Speziell gestaltete Düsen begrenzen die Form des Sprühstrahls.

Von Mitarbeitern des Herstellers TTnS (Vertrieb: Multi-Components GmbH) entwickelte Sprühköpfe ermöglichen linienförmige Sprühvorhänge mit präziser Randbegrenzung ohne Sprühnebel oder spiralförmige Spühmuster. Diese Technologie, bei der das Medium nicht durch Druckluftbeimischung zerstäubt wird – deswegen keine Sprühnebel – ermöglicht 40 bis 60 % Materialeinsparung gegenüber herkömmlichen Sprühtechniken.
In Kombination mit Sprühköpfen können zusätzlich zum Auftrag hochviskoser Medien auch Nadeldosierköpfe montiert werden.

Für die in unseren Fertigungsstätten häufig notwendigen Produktwechsel ist eine einfache, bedienerfreundliche Programmiermöglichkeit unerlässlich. Dies kann z. B. durch vorprogrammierte Arbeitsparameter vereinfacht werden. Für unterschiedliche Beschichtungsmaterialien und Beschichtungsdicken bieten die Maschinenhersteller Bibliotheken, in denen die jeweils relevanten Parameter bereits definiert sind.

Für die Programmierung der zu beschichtenden Bereiche wird ein Bild der Leiterplatte erzeugt und anhand dieser graphischen Daten können dann sehr einfach mit Hilfe von Mausfunktionen die einzelnen Beschichtungsbereiche festgelegt werden. Alternativ kann dies auch durch Eingabe von Koordinaten erfolgen.

Die Anlagentechnische Lösung

Zur Realisierung einer kompletten Beschichtungsstraße gehören neben Handlingseinrichtungen die Trocken- oder Härteöfen. Wichtig ist dabei ein detailliert regelbares Temperaturprofil, um Blasenbildung des Beschichtungsmaterials zu vermeiden. Eine interessante Lösung im Vergleich zu den bisher üblichen sehr großen Durchlauföfen stellt die ECCO99 von TTnS dar. Bei dieser Lösung können komplette Leiterplattenmagazine durch das System befördert werden.

Bei Durchlaufzeiten von z.B. 5 bis 6 Minuten pro Magazin wird ein sehr hoher Durchsatz erreicht. Das ausgeklügelte Konvektionssystem und eine spezielle Wärmeisolation reduzieren den Energieverbrauch auf lediglich 50 % gegenüber sonst üblichen, mehrere Meter langen Härteeinrichtungen. Die kompakten Grundmaße von 1,1 m x 2,4 m sparen zusätzlich Resourcen.

Beschichtungsfehler

Auf Grund der dünnen Schichtstärke und Transparenz der Beschichtung ist es nicht so einfach möglich, Fehlstellen zu erkennen. Abhilfe kann hier fluoreszierendes Material schaffen, das unter UV-Beleuchtung die beschichteten Flächen sichtbar macht. Auch eingefärbte Schutzlacke sind hier hilfreich.
Neben der Beurteilung durch das Auge, können mittlerweile Automatische Optische Inspektionssysteme insbesondere bei hohem Durchsatz zum Einsatz kommen.

Wichtig ist neben der Vermeidung von Fehlstellen überhaupt, eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke in allen Bereichen. Allerdings ist die Messung der Schichtdicke auf einer komplexen Baugruppe nahezu unmöglich.

Aus diesem Grund konzentriert man sich üblicherweise darauf, vor Beginn der Produktion auf einem planen Substrat die gewünschte Schichtstärke durch praktische Tests zu ermitteln und die zugehörigen Arbeitsparameter festzulegen.

Das einfachste Hilfsmittel ist ein Messkamm mit unterschiedlich hohen Aussparungen, der über die „nasse“ Beschichtung geführt wird. Auch Schichtdickenmessgeräte, wie das Positests, das bei ausgehärteten Beschichtungen verwendet wird, sind gebräuchlich.

Eine Sammlung von Teststreifen mit unterschiedlichen Beschichtungsstärken und den zugehörigen Prozessparametern sind ebenfalls sehr hilfreich.

Blasen, Krater, Schaumbildung

Blasen entstehen durch eingeschlossene Lufttaschen unter der Beschichtung. Dringen die Lufteinschlüsse bei niedriger Viskosität des Lackes an die Oberfläche und zerplatzen entstehen kraterförmige Fehlstellen. Ursachen sind entweder zu dicker Nassauftrag, zu hochviskoses Material, Luft unter Bauteilen, die bei fortschreitender Aushärtung entweicht. Dies kann durch moderate Temperaturprofile beim Aushärten vermieden werden. Zu hoher Druck beim Sprühen kann zur Schaumbildung führen.

Orangenhaut, Runzeln

Dieser Fehler ist an einer matten, unregelmäßigen Oberfläche erkennbar. Ein zu großer Abstand beim Sprühen führt zum Auftrag teilweise bereits „trockenen“ Materials. Bei schnell härtendem Material können falsche Temperaturprofile zu ähnlichem Fehlerbild führen.

Fadenbildung

Speziell bei schnell trocknenden Lacken (Acryllacke) zu beobachten. Abhilfe kann die Reduzierung des Sprühabstandes und der Zerstäubungsluft oder Zugabe von mehr Verdünnung schaffen.

Mangelnde Haftung, Ablösung

Wie bereits beschrieben, ist die Hauptursache in Verunreinigungen der Baugruppe vor dem Beschichten zu finden. Trennmittel auf Bauelementegehäusen, Fingerabdrücke, schlecht gehärteter Lötstopplack, silikonhaltige Kleber zur Bauteilebefestigung, Flußmittelreste sind die häufigsten Ursachen. Auch Feuchtigkeit in der Baugruppe oder Umgebung führen zu dem Fehlerbild.

Schlussbemerkung

Auf Grund der Komplexität des Zusammenwirkens von Baugruppeneigenschaft, der Auswahl des Beschichtungsmaterials, Auftragsverfahren und Aushärte- bzw. Trocknungsparametern ist es für zufrieden stellende Ergebnisse unerlässlich, dass sich Baugruppenhersteller mit den Experten der Materialseite, Reinigungsverfahren und Ausrüstungsherstellern austauschen, um für das jeweilige Endprodukt die optimale Lösung zu finden.