Was welche Schutzlacksysteme in der Elektronik leisten

Die Schutzbeschichtung von Elektronikbaugruppen wird auch weiterhin meist mit flüssigen Lacken erfolgen. Besonders bei hochempfindlichen Baugruppen ist die Verwendung von Schutzlacken unumgänglich, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen, die Lebensdauer zu verlängern oder die Funktionalität zu gewährleisten. Dabei sind die Schutzlacke so entwickelt, dass sie sich den Konturen der Baugruppe anpassen und alle Bereiche schützen, auf denen sie aufgetragen werden. So wird die Nutzungsdauer der Leiterplatte verlängert. Es gibt eine Reihe wesentlicher Eigenschaften, die ein Schutzlack besitzen muss: gute elektrische Eigenschaften, eine niedrige Feuchtigkeitsdurchlässigkeit und eine gewisse mechanische Strapazierfähigkeit sind einige der Hauptanforderungen. Auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien und Flammschutz sind erstrebenswerte Eigenschaften. In jedem Fall sollte der Schutzlack gut am Material der Leiterplatte haften und diese Haftung sowie eine gewisse Flexibilität auch über einen großen Temperaturbereich bewahren.

Wie unterscheiden sich Platinenlacke

Generell unterscheiden sich die verschiedenen Arten von Schutzlacken von Platinen durch ihre chemischen Basiskomponenten und die Frage ob mit oder ohne Lösungsmittel. Traditionell sind die am häufigsten verwendeten Schutzlacke lösungsmittelhaltig. Dabei wird die Harzbasis in organischen Lösungen gelöst und mit verschiedenen Additiven vermischt, um die Leistung des gehärteten Lacks zu optimieren. Lösungsmittel verringern die Viskosität, um den Schutzlack verarbeitbar zu machen. Auf diese Weise härtet der Schutzlack durch einfache Lösungsmittelverdunstung aus. Lösemittelhaltige Schutzlacke sind sehr vielseitig und können mit jedem Verfahren aufgetragen werden, indem einfach der Lösemittelgehalt im Schutzlack angepasst wird. Normalerweise enthält ein Schutzlack auf Lösemittelbasis mehr als 50% flüchtige organische Verbindungen (VOC). In der heutigen umweltbewussten Gesellschaft ist eine Reduzierung der VOC in allen Industriezweigen wünschenswert, auch bei der Anwendung von Schutzlacken.

Daher sind Alternativen zu lösemittelhaltigen Materialien sind daher wünschenswert. Es wurden beispielsweise UV-härtende, wasserbasierte und feuchtigkeitshärtende Schutzlacke entwickelt. UV-härtende Schutzlacke können in der Bandfertigung durch den Einsatz von UV-Lampen schnell ausgehärtet werden - beschichtete Bereiche unter einzelnen Bauteilen härten jedoch nur langsam aus und benötigen einen zweiten Arbeitsgang, in dem sie durch Feuchtigkeit oder Wärme aushärten. UV-härtende Schutzlacke können aus Materialien mit einem Festkörpergehalt von 100 % bestehen und sind in der Regel hochviskose Systeme.

In den Produktklassen wird zudem nach der aufzubringenden Schichtdicke des jeweiligen Schutzlacksystems unterschieden. Dünnschichtlacke charakterisieren sich durch eine Schichtdicke bis zu 200 µm, Dickschichtlacke ab 200 µm Schichtdicke. Hier ist zu beachten, dass die verfügbaren Lacksysteme verschiedene Viskositäten, Rheologien und Fließgeschwindigkeiten haben.

Welche verschieden Arten von Schutzlacken es gibt

Je nach Anwendung gibt es passende Schutzlacke, die sich in ihrer Basiskomponente unterscheiden. Hier einige Beispiel mit Vor- und Nachteilen.

• Acryl-Schutzlacke bieten einen guten Schutz gegen Umwelteinflüsse zu einem vernünftigen Preis; sie behalten ihre Transparenz und sind beständig gegen Nachdunkeln und Hydrolyse durch äußere Einflüsse. Sie haben jedoch eine begrenzte Beständigkeit gegen Flüssigkeiten und eignen sich daher zwar für die Nachbehandlung, nicht aber für die Chemikalienbeständigkeit.
• Im Gegensatz dazu bieten Polyurethanlacke eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit und einen besseren Schutz in unwirtlichen Umgebungen. Außerdem bleiben sie auch bei sehr niedrigen Temperaturen flexibel. Wie Acryllacke sind sie sehr vielseitig und decken einen breiten Betriebstemperaturbereich ab, üblicherweise von -65 bis +130 °C.
• Silikonlacke sollten verwendet werden, wenn ein hoher Schutzgrad erforderlich ist, aber die thermische Stabilität von entscheidender Bedeutung ist. Aufgrund ihrer Silikon-Sauerstoff-Basis bieten sie je nach Struktur Schutz bei Temperaturen zwischen -100 und +300 °C. Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich der Migration von freiem Silikon, die zu Ausfällen in elektronischen Schaltkreisen führen kann, des hohen Preises und der schlechten mechanischen Eigenschaften.
• Die Eigenschaften von Alkydsilikonen liegen zwischen denen von reinen Silikonen und Alkydharzen. Sie sind flexibler, härter und thermisch stabiler als Alkydharze, verfügen jedoch nicht über die hohe thermische und oxidative Beständigkeit unmodifizierter Silikone. Der Temperaturbereich von -70 bis +200 °C liegt ebenfalls im Mittelfeld.
• Acryl-Polyurethanlacke oder Acrylate werden neben einigen Epoxidchemikalien üblicherweise in UV-härtenden Systemen eingesetzt. Auch diese Systeme bieten eine Kombination von Eigenschaften, jedoch können bei der Entwicklung solcher Produkte Probleme mit der Haftung und Flexibilität auftreten.

Wie finde ich den richtigen Schutzlack für meine Platine?

Bei der Auswahl sind neben den Eigenschaften der Schutzlacke auch die Applikation und der Aushärtungsprozess zu berücksichtigen. Schutzlacke können auf verschiedene Weise aufgetragen werden. Dazu gehören das Streichen, Tauchen und Spritzen.

• Das Auftragen mit der Bürste ist am einfachsten, erfordert aber eine gewisse Geschicklichkeit, um eine gleichmäßige Oberfläche ohne Blasenbildung zu erhalten.
• Die Tauchlackierung kann entweder manuell oder mit einer Tauchlackieranlage durchgeführt werden. Dabei wird die Leiterplatte vollständig in den Schutzlack eingetaucht.
• Das Sprühverfahren kann auf verschiedene Weise angewendet werden: Für kleine Serien werden üblicherweise Sprühdosen verwendet. Bei mittleren Serien können Sprühpistolen und bei automatisierter Bandfertigung selektive Beschichtungsanlagen eingesetzt werden.
• Der Pinselauftrag und selektive Spritzverfahren ermöglichen einen begrenzten Farbauftrag ohne die Notwendigkeit einer Abdeckung. Dadurch kann ein Schritt in der Produktionslinie eingespart werden.
• Einsatz selektiver Beschichtungsanlagen ist in der Schutzlackindustrie weit verbreitet. Sie erhöhen die Produktivität und verringern die Abfallproduktion, da nur die erforderlichen Bereiche beschichtet werden. Sie ermöglichen auch eine Reduzierung der VOC-Emissionen (Volatile Organic Compounds) in geschlossenen, belüfteten Systemen.

Schutzlacke aus Silikon schützen elektronische Leiterplatten vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen und verhindern Kurzschlüsse sowie Korrosion von Leitungsbahnen und Lötstellen. Sie minimieren auch das Dendridenwachstum und die Elektromigration von Metall zwischen den Leiterkarten. Zudem schützt die Verwendung von Schutzlacken Schaltkreise und elektronische Komponenten vor Verschleiß und Lösungsmitteln. Ebenso ermöglicht der Schutzlack eine Spannungsentlastung sowie den Schutz des Isolationswiderstands der Leiterplatte. Sie haben folgende Vorteile:

• Breiter Einsatzbereich mit einem Temperaturspektrum von -40° bis +200°C
• Hohe Chemikalienbeständigkeit
• Für harsche Einsatzbedingungen geeignet wie Luft-/Raumfahrt, Offshore und Automobilanwendungen
• Lösungsmittelfreie Systeme mit 100% Feststoffanteil
• Flammverzögernd nach UL94V-0
• Kein Flammpunkt

UV-härtende Schutzbeschichtungen härten in Sekunden unter hochintensivem UVA-Licht und sichtbarem Licht im Blaubereich aus. Dadurch wird eine schnelle Verarbeitung möglich und die Durchsatzmenge im Produktionsprozess erhöht. Gleichzeitig werden die Verarbeitungskosten gesenkt. Die Besonderheiten im Einzelnen:

• Chemische Basis: Acrylate und Polyurethane oder Hybride aus beiden Werkstoffen
• Sehr schnelle Aushärtung durch UV-Initiierung
• Flammverzögernd nach UL94V-0
• Chemische Nachhärtung unterhalb von Bauteilen (Schattenzonen)
• Hohe Chemikalienbeständigkeit
• Sehr gute thermische Schockbeständigkeit

Die Härtung kann in gängigen UV-Härtungsanlagen erfolgen. Von Vorteil ist eine gute Streuung der UV-Strahlung, sodass auch an den Flanken der Bauteile für eine ausreichende Belichtung und Härtung gesorgt ist, indem eine Schattenbildung neben den Bauteilen vermieden wird. Alle UV-Lacke benötigen einen sogenannten sekundären Härtungsmechanismus, der in den auf einer Baugruppe unvermeidlichen Schattenbereichen eine komplette Aushärtung ermöglicht. Der zweite Trocknungsschritt erfolgt in den Schattenbereichen mittels chemischer Vernetzung durch relative Luftfeuchte.

Durch Aufheizen der beschichteten Bauteile oder höhere Luftfeuchtigkeit lässt sich der sekundäre Härtungsprozess beschleunigen. Die Sicherstellung einer kompletten Durchhärtung ist für die spätere Funktionssicherheit der Baugruppe unter den zu erwartenden Umweltbelastungen unverzichtbar.

Nicht nur auf das Produkt – auch auf die richtige Anwendung kommt es an. Die Effektivität einer Schutzbeschichtung hängt stark davon ab, wie gut sie auf die Oberfläche aufgebracht wurde. Um die entsprechende Auftragsmethode für den individuellen Prozess zu definieren, sollten folgende Punkte betrachtet werden:

• Konstruktion und Design der Baugruppe/Leiterplatte
• Anforderungen an den Applikationsprozess – Umwelteinflüsse, Ausgasung, Ablüftungsprozesse etc. sollten hier bedacht werden
• Zu produzierende Menge – Schnelligkeit des Lackierungsprozesses, Aushärtungszeiten etc.
• Qualitätsanforderungen – nach internationalen Normen wie UL94V-0 / UL746E - IPC-CC-830
• Vorbereitende Maßnahmen – Abkleben und Schützen von empfindlichen Bauteilen

Es gibt fünf Auftragsmethoden, um konforme Beschichtungen zu erreichen – manuelle Beschichtungen per Bürste, Aerosol oder Zerstäubungs-Pistole oder die automatisierte Tauchbeschichtung und das selektive Beschichten mittels Maschine. Nachfolgend eine Kurzcharakteristik:

• Pinseln vom Großgebinde (Brushen): Erfordert detaillierte und geübte Erfahrung. Kritisch zu bewerten sind hier Schichtdickenauftrag und Konformität.
• Manuelles Sprühverfahren: Hier verwendet man generell Aerosolsprühdosen und händische Auftragspistolen. Ist eher für kleine Mengen geeignet. Dies kann sehr zeitaufwändig sein, da man vorher bestimmte Bereiche der Baugruppe abkleben/schützen muss.
• Maschinelles Sprühverfahren: Eine programmierbare Anlage, welche über einen Sprühkopf eine definierte Menge an Schutzlack aufträgt.
• Tauchverfahren: Maschinell tauchbare Lacke, welche die Schichtdicke und den Verlauf über die Eintauch- und Ausziehgeschwindigkeit und Verweilzeit definieren. Dieses Verfahren erfordert ein Abkleben/Maskieren empfindlicher Bauteile oder nicht zu benetzender Bereiche der Baugruppe.
• Selektives Beschichten: Programmierbares System mit definierter Menge an Lack zur Beschichtung von ausgewählten Bereichen auf der Leiterplatte. Der Dosierkopf ist oft auf eine festgelegte Menge an Lack, Auftragsbreite (curtain-technology) und definierte Geschwindigkeit ausgelegt.

Das Beschichten der elektronischen Baugruppe ist in der Regel der letzte Schritt in der Wertschöpfungskette der Baugruppe. Fehler an dieser Stelle können sehr kostenintensiv werden und verheerende Ergebnisse im Feld liefern. Zur Vermeidung einige Tipps zur Spurensuche:

Mangelnde Kantenbeschichtung und Nasseigenschaften (Pull Back)

• Der Lack ist zu dünnflüssig
• Der Lack ist kontaminiert
• Die Oberfläche der Baugruppe ist kontaminiert
• Materialeigenschaften des Substrats (Oberflächenspannung)

Haftungsprobleme:

• Unvollständige Aushärtung und Zeit
• Verunreinigungen
• Lötrückstände
• Extreme Aushärtetemperatur

Blasenbildung im Lack

• Zu hoher Sprühdruck beim Auftrag
• Verbleibende Feuchtigkeit Im Substrat
• Verbleibende Feuchtigkeit im Lack
• Rückstände auf der Leiterkarte durch „Moulding Prozess“
• Eingeschlossene Luft unterhalb von Bauteilen
• Auftragsgeschwindigkeit
• Verbleibende Luft im Sprühkopf

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Biesterfeld Spezialchemie und Electrolube