Oberflächentechnik - Unterstützer und Treiber für die Transformation der Fahrzeugtechnologie

Werkstoffe 08. 03. 2024
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Teil 5 – Schutz von Leiterplatten

Von Rainer Venz, Saskia Hogan und Bethan Massey

Aufgrund fortschreitender Elektromobilität und den Arbeiten zu autonomem Fahren erhöht sich die Zahl an Elektronikbauteilen in Fahrzeugen bei zudem steigenden Anforderungen an deren Zuverlässigkeit. Dies wird vor allem durch einen sicheren Schutz von Leiterplatten mit deren elektrischen Bauelementen erreicht. Zum Einsatz kommen Schutzlacke oder Vergussmassen, die je nach Anforderung und Art der Bauteile unterschiedlich verarbeitet werden.

Leiterplatten sind das Gehirn und Nervensystem elektronischer Systeme - sie ermöglichen das erfolgreiche Zusammenspiel vieler verschiedener Komponenten. Moderne Fahrzeuge – insbesondere Elektrofahrzeuge – erfassen das Fahrzeugumfeld, aber auch den Zustand verschiedener Fahrzeugkomponenten mit verschiedensten Sensoren, deren Signale dann in zentralen oder dezentralen Rechnern verarbeitet werden. Auch die Aktionen und Reaktionen des Fahrers werden erkannt und fließen ebenfalls in die Beurteilung der jeweiligen Situation ein. In Sekundenbruchteilen entscheiden die Systeme dann, ob und welche Aktionen automatisch eingeleitet werden, um den Fahrer zu entlasten und die Sicherheit von Passagieren und Fahrzeug zu erhöhen. Die Zuverlässigkeit dieser Fahrerassistenzsysteme und aller anderen elektronisch gesteuerten Komponenten hängt davon ab, ob sowohl die Software als auch die Hardware fehlerfrei funktionieren. Insbesondere bei Fahrzeugen, die häufig hohen Temperaturschwankungen, Vibrationen und korrosiven Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, spielt der Schutz einzelner Komponenten eine wichtige Rolle.

Dieser Teil der Artikelserie befasst sich mit dem Schutz von Leiterplatten . Wovor Leiterplatten geschützt werden sollten, hängt vom Einsatzort, den Umgebungsbedingungen und den kundenspezifischen Anforderungen ab. Bei vielen Anwendungen müssen Leiterplatten vor Kondensation, Feuchtigkeit, korrosiven Medien, Staub oder anderen Verunreinigungen geschützt werden. Elektrische Isolierung, die Verhinderung elektrochemischer Migration und der Schutz geistigen Eigentums sind jedoch häufig weitere Anforderungen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den erforderlichen Schutz zu erreichen; Zwei sehr wichtige davon sind Schutzbeschichtungen und Vergussmassen. Das Vergießen bietet zudem eine zusätzliche mechanische Unterstützung für die verbauten elektronischen Komponenten, was ebenfalls die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der bestückten Leiterplatten unterstützt.

Durch den Einsatz von Schutzlacken kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Leiterplatten und elektronischen Bauteilen insbesondere in rauen Umgebungen deutlich erhöht werden. Auch die Miniaturisierung wird unterstützt, mit immer kleineren Abständen zwischen Leiterbahnen oder Bauteilen. Die elektrische Isolierung von Schutzlacken ermöglicht zudem eine Leistungssteigerung, etwa durch den Einsatz höherer elektrischer Spannungen.

Die Schutzbeschichtung wird als letzter Arbeitsgang auf der bereits fertig bestückte Leiterplatte aufgetragen. Dementsprechend muss darauf geachtet werden, Schäden an der Platine und ihren Komponenten zu vermeiden. Je nach Kundenanforderung und Anwendungsfall werden Schutzlacke vollflächig oder nur partiell aufgetragen. Die Schutzlacke selbst unterscheiden sich aufgrund der Materialgruppen: Beschichtungen auf Basis von Acryl, Polyurethan, Urethanacrylaten, Alkyd, Polyolefin, Fluorpolymer oder Silikonen, um nur einige zu nennen. Abhängig von der Art der verwendeten Chemie gibt es auch unterschiedliche Härtungsmechanismen. Während einige Beschichtungen durch Lufttrocknung aushärten, indem die flüchtigen Bestandteile der Beschichtung, wie z. B. Lösungsmittel, verdampfen und einen Polymerfilm hinterlassen, verwenden andere einen thermischen Härtungsprozess. Hierbei werden die beschichteten Leiterplatten unter Berücksichtigung von Schichtdicke und Geometrie der Platte bei einer für die Beschichtung spezifischen Temperatur und Zeit ausgehärtet.

Die Aushärtung kann auch durch die Einbringung von Energie aus UV-Licht erreicht werden, wie bei Schutzlacken, die unter Verwendung bestimmter UV-Wellenlängen und -Intensitäten aushärten. Der Vorteil besteht darin, dass die Aushärtung des Materials innerhalb von Sekunden nach der Belichtung erfolgt, was eine hohe Durchsatzrate in der Produktion ermöglicht. Da nur Material aushärtet, das dem UV-Licht ausgesetzt ist, ist ein sekundärer Aushärtungsmechanismus für das Beschichtungsmaterial in Schattenbereichen erforderlich. Je nach eingesetztem Werkstoff kann diese Nachhärtung Tage, manchmal sogar Wochen oder länger dauern.

Schutzbeschichtungen können auch durch eine chemische Reaktion eines Polymers und eines Härters ausgehärtet werden, indem das Material vernetzt. Die beiden Komponenten werden in einem Statikmischer in einem bestimmten Mischungsverhältnis gemischt und anschließend auf die Platine gesprüht. Diese Art von Material wird oft als 2K-Schutzbeschichtung bezeichnet, nach dem deutschen Wort für Zwei-Komponenten-Schutzbeschichtung.

Um die Gleichmäßigkeit der Lackschicht hinsichtlich Verteilung und Dicke besser beurteilen zu können, enthalten die meisten Schutzlacke einen UV-Indikator. Der Indikator unterstützt einen entweder manuellen oder automatisierten Inspektionsprozess in der Produktion, durch den Klarlack unter Einwirkung von UV-Licht fluoresziert werden kann (Abb. 29 und 30).

Abb. 29: Mit UV-härtendem Schutzlack behandelte Leiterplatte (Bild: MacDermidAlpha)

Abb. 30: Unter UV-Licht mit Acryl-Schutzlack behandelte Leiterplatte (Bild: MacDermidAlpha)

 

Der Schutzgrad einer ausgehärteten Beschichtung wird durch ihre Chemie, die Auftragungsmethode mit der erreichbaren Schichtdicke, dem Bedeckungsgrad, beispielsweise über Bauteilbeinchen und scharfen Bauteilkanten sowie den Aushärtevorgang beeinflusst. Abbildung 31 zeigt eine IPC-B-24-Testplatine, teilweise mit Acryl beschichtet und teilweise unbehandelt. An die Testplatine wurde eine Vorspannung von 5 V angelegt und sie wurde in 5 % NaCl eingetaucht. Der unbehandelte Bereich zeigt sichtbar Korrosion der Leiterbahnen, wodurch die Gefahr einer eingeschränkten Funktionalität oder eines Ausfalls der Platine besteht.

Abb. 31: Einseitig beschichtete Leiterplatte, getestet in 5 %iger NaCl-Lösung bei 5 V Vorspannung (Bild: MacDermidAlpha)

 

Angesichts der Tatsache, dass die meisten Platinen mit einer Vielzahl von Komponenten bestückt sind, von denen jede ihre eigenen Herausforderungen bei der Beschichtung mit sich bringt, gewinnen Schichtdicke und Kantenabdeckung in verschiedenen Branchen immer mehr an Bedeutung. Insbesondere bei Platinen, bei denen der Abstand zwischen Komponenten oder Leiterbahnen immer kleiner wird, sowie bei Einsatz in besonders rauen Umgebungen. Je nach Materialtyp können höhere Schichtdicken, eine verbesserte Barrierewirkung und bessere Kantenabdeckung erreicht werden. Eine der Beschichtungen, die in Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit verwendet werden, ist die 2K-Schutzbeschichtung. 2K-Beschichtungen können in manchen Anwendungen eine kostengünstigere Alternative zu Vergussmassen darstellen, insbesondere wenn ein höheres Schutz-niveau bei geringer Gewichtszunahme gefordert wird.

Im Gegensatz zu Schutzlacken werden Vergussmassen nicht wie klassische Lacke aufgetragen, sondern in der Regel in ein Gehäuse oder eine Form gegossen, wie in Abbildung 32 dargestellt. Dieser Prozess ist naturgemäß sehr materialaufwendig. Eine besondere Variante ist die selektive Verkapselung Alpha® HiTechTM, bei der einzelne elektronische Komponenten durch partielles Auftragen des Harzes auf der Leiterplatte selektiv verkapselt werden (Abb. 33).

Abb. 32: Verguss von Leiterplatten und elektronischen Bauteilen (Bild: MacDermidAlpha)

Abb. 33: Leiterplatte mit selektiv verkapselten Bauteilen (Bild: MacDermidAlpha)

 

Ähnlich wie bei Schutzbeschichtungen gibt es auch bei Harzen unterschiedliche Materialklassen und unterschiedliche Methoden zur Aushärtung beziehungsweise Vernetzung. Die drei am häufigsten verwendeten chemischen Typen für Vergussmassen basieren auf Epoxidharz, Polyurethan oder Silikon. Zur Aushärtung werden oft zwei Komponenten gut vermischt und zeitnah verarbeitet, die dann chemisch vernetzen. Eine weitere Variante ist die thermische Härtung, die im Prinzip mit thermisch härtbaren Beschichtungen vergleichbar ist. Die fertig aufgetragenen Vergussmassen können unterschiedliche Härten aufweisen. Die Verwendung von Polyurethanen und Silikonen führt tendenziell zu weicheren Vergussmassen, die eine Dehnung von 5 % bis 50 % bei Polyurethan und 80 % bis 200 % bei Silikon aufweisen können, während Epoxidharze mit einer Dehnung von 3 % bis
30 % höhere Härten erzielen.

Zusätzlich zu den guten Eigenschaften von Schutzlacken können Vergussmassen weitere Eigenschaften aufweisen. Sie können beispielsweise flammhemmend sein oder durch eine gute Wärmeleitfähigkeit lokale Überhitzungen vermeiden, was sie für den Einsatz in Batterien interessant macht. Da sie normalerweise in einer dickeren Schicht aufgetragen werden als Beschichtungen, bieten sie auch einen besseren Schutz vor eindringendem Wasser und sorgen für eine bessere Struktur- und Vibrationsunterstützung.

Um Leiterplatten zu schützen und die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und damit Nachhaltigkeit zu verbessern, stehen zwei bewährte Methoden zur Verfügung: Schutzlacke und Vergussmassen. Welche der beiden Methoden die besten Ergebnisse liefert, hängt von der jeweiligen Anwendung und ihrem Anforderungsprofil ab. Typische Anwendungen im Automobilbereich sind Wechselrichter, DC/DC-Wandler, Leiterplatten für EV-Ladestationen, LIDAR-Elektronik, Kamerasysteme, andere ADAS-Systeme, elektronische Lenksysteme, elektronische Komponenten im Fahrzeuginnenraum sowie das Vergießen von Steckverbindern bei Ladekabeln, Sensoren, Statoren, Wicklungen von E-Motoren, Leistungselektronik und vieles mehr.

Surface technology - supporter and driver for the transformation of vehicle technology

Part 5 – Protection of printed circuit boards

By Rainer Venz, Saskia Hogan and Bethan Massey

Due to advancing electromobility and work on autonomous driving, the number of electronic components in vehicles is increasing, with increasing demands on their reliability. This is achieved primarily through secure protection of circuit boards with their electrical components. Conformal coatings or potting compounds are used, which are processed differently depending on the requirements and type of components.

Circuit boards are the brain and nervous system of electronic systems; They enable the successful interaction of many different components. Modern vehicles - especially electric vehicles - detect the vehicle environment, but also the condition of various vehicle components with a wide variety of sensors, whose signals are then processed in central or decentralized computers. The driver’s actions and reactions are also recognized and are also included in the assessment of the respective situation. In a fraction of a second, the systems then decide whether and, if so, which actions are to be initiated automatically in order to relieve the driver and increase the safety of passengers and vehicle. The reliability of these driver assistance systems and all other electronically controlled components depends on whether both the software and the hardware function correctly. The protection of individual components plays an important role, especially in vehicles that are often exposed to high temperature fluctuations, vibrations and corrosive environmental influences.

In this article we want to address the protection of circuit boards. What circuit boards should be protected from depends on the location, environmental conditions and customer-specific requirements. Many applications require circuit boards to be protected from condensation, humidity, corrosive media, dust or other contamination. However, electrical insulation, the prevention of electrochemical migration and the protection of intellectual property are often additional requirements. There are various ways to achieve the required protection; two very important ones being conformal coatings and potting compounds. Potting also offers additional mechanical support for the installed electronic components, which also supports the lifespan and reliability of the assembled circuit boards.

By using conformal coatings, the reliability and service life of circuit boards and electronic components can be significantly increased, especially in harsh environments. Miniaturization is also supported, with ever smaller spacing between conductor tracks or components. The electrical insulation of conformal coatings also enables improved performance, such as the use of higher electrical voltages.

The final step is to apply the conformal coating to the assembled circuit board. Accordingly, care must be taken to avoid damage to the board and its components. Conformal coatings are either applied to the entire surface or only partially, depending on customer requirements and application. The conformal coatings themselves are differentiated into different material groups; coatings based on acrylic, polyurethane, urethane acrylates, alkyd, polyolefin, fluoropolymer, silicones, just to name a few. Depending on the type of chemistry used, there are also different curing mechanisms. While some coatings cure through evaporation, where the volatile components in the coating, such as solvents, evaporate and leave behind a polymeric film, others use a thermal curing process, whereby the coated circuit boards are cured at a temperature and time specific to the coating, layer thickness and geometry of the board.

Curing can also be achieved by introducing energy from UV light, as with conformal coatings that cure using specified UV wavelengths and intensities. The advantage is that the material cures within seconds of exposure, which allows a high throughput rate in production. As only material that is exposed to the UV light will cure, a secondary curing mechanism is required to cure coating in shadow areas. Depending on the material this secondary cure can take days, sometimes even weeks or longer.

Conformal coatings can also be cured through a chemical reaction of a polymer and hardener causing the material to cross link. The two components are mixed in a static mixer to a specific mix ratio before being sprayed onto the board. This type of material is often called 2K conformal coating, for the German word of two component conformal coating.

In order to be able to better assess the uniformity of the coating layer in terms of distribution and thickness, most conformal coatings contain a UV indicator, which supports an either manual or automated inspection process in production showing the clear coating fluorescing under UV light (Fig. 29 and 30).

Fig. 29: Circuit board treated with UV cure conformal coating (Source: MacDermidAlpha)

Fig. 30: Circuit board treated with acrylic conformal coating under UV light (Source: MacDermidAlpha)

 

The protection level of a cured conformal coating are determined by its chemistry, the application method with the achievable layer thickness, over all coverage, e. g. over component legs and sharp component edges and the curing process. Figure 31 shows an IPC-B-24 test board, partially coated with an acrylic coating, and partially left untreated. The test board was applied with a bias of 5 V and immersed in 5 % NaCl. The untreated area visibly shows corrosion of conductive tracks, risking reduced functionality or failure of the board.

Fig. 31: Circuit board coated on one side and tested in 5% NaCl solution at a 5V bias (Source: MacDermidAlpha)

 

Considering that most boards are populated with a variety of components, each coming with its own coating challenges, layer thickness and edge coverage are finding more and more importance in different industries, specifically for boards with a reduction in spacing between components and applications where they are exposed to specifically harsh environments. Depending on the material type, higher coating thicknesses, improved barrier integrity and edge coverage can be achieved. One of the coatings used in high reliability applications is the 2K conformal coating. 2K coatings can in some applications provide a more cost-effective alternative to potting compounds, specifically if the requirements focus on a higher protection level at a low weight gain rather than on mechanical protection.

In contrast to conformal coatings, potting compounds are not applied like classic varnishes, but are usually poured into a housing or a mold, as shown in Figure 32. This process is naturally very material consuming. A special variant is the Alpha® HiTechTM selective encapsulation, in which individual electronic components are encapsulated on the circuit board by partially applying the resin (Fig. 33).

Fig. 32: Potting circuit boards and electronic components (Source: MacDermidAlpha)

Fig. 33: Circuit board with partially encapsulated components (Source: MacDermidAlpha)

 

Similar to protective coatings, there are also different material classes and different methods for curing or crosslinking when it comes to resins. The three most commonly used chemical types for potting compounds are based on epoxy, polyurethane or silicone. For curing, two components are often mixed well and processed promptly, which then chemically crosslink. Another variant is thermal curing, which is in principle comparable to thermally curable coatings. The finished applied potting compounds can have different hardnesses. The use of polyurethanes and silicones tends to produce softer potting compounds that can have an elongation of 5 % to 50 % for polyurethane and
80 % to 200 % for silicone, while epoxies achieve harder results with an elongation of 3 % to 30 %.

In addition to the good properties of conformal coatings, potting compounds can have additional properties. For example, they can be flame retardant or avoid local overheating through good thermal conductivity, which makes them interesting for use in batteries. As they usually are applied in a thicker layer than coatings, they also provide improved ingress protection and add greater structural and vibration support.

There are two proven methods available to protect circuit boards and improve reliability, lifespan and therefore sustainability: conformal coatings and potting compounds. Which of the two methods delivers the best results depends on the respective application and its requirements profile. Typical applications in the automotive sector are inverters, DC/DC converters, circuit boards for EV charging stations, LIDAR electronics, camera systems, other ADAS systems, electronic steering systems, electronic components in vehicle interiors, as well as the potting of connectors on charging cables, sensors, stators, windings of E -Motors, power electronics and much more.

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