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Conformal CoatingDefinición, Selección y Aplicación sobre materiales de Procesos No-Clean

Conformal Coating Training

Rafael HernándezSMTA Guadalajara 2016

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¿QUIÉN SOY YO?

• Ingeniero de Aplicaciones y Especialista Técnico de HumiSeal para México

• 16 años de experiencia en la industria Electrónica, ramo Automotriz

• Manufactura, Calidad, Procesos y R&D• Soporte Técnico en aplicaciones, Selección de productos

e implementación, análisis de fallas y programación.


¿DE QUÉ VAMOS A HABLAR?

• ¿Qué es Conformal Coating?

• ¿Qué es lo que hace?

• ¿Por que o para qué laquear?

• ¿Qué tipos de Conformal/Laca hay en el mercado?

• ¿Cómo puedo elegir la más adecuada?

• ¿Cómo la puedo aplicar?

• Conformal sobre materials de procesos No-Clean


¿QUÉ ES CONFORMAL COATING?

• Conformal Coating es, básicamente, una capa plástica delgada que protege.

• Conforma (en inglés: ”conforms”) de manera similar, el contorno de la tarjeta electrónica y sus componentes.

• Es una membrana que filtra el vapor de agua y residuos sólidos.

• Protege los ensambles electrónicos de la corrosión, cuando éstos están en un medio ambiente nosivo.



• Normalmente, la capa de laca debe ser:

ü 50um (o 2 milésimas de pulgada), cuando la laca es base solvente.

ü 75um hasta 130um (3 – 9 milésimas de pulgada), cuando es una laca 100% sólidos.

• Si la capa de laca llega a ser muy gruesa, puede generar problemas tales como burbujas, arrugas o incluso

fracturas (cracking).

• Si la capa es muy delgada, no aseguramos la protección del ensamble electrónico!.



Propiedades Básicas

• Características dieléctricas

Ø Resistencia de Aislamiento

Ø Resistencia a Humedad

Ø Voltaje de ruptúra

• Flexibilidad (para evitar estrés mecánico en los componentes y uniones de soldadura)

• Resistencia química contra ambientes conocidos

• Buena adherencia al sustrato

• Retrabajable



Detalles importantes a considerar

q Los Conformal Coatings ”bloquean” la contaminición, tanto de afuera hacia adentro como de adentro hacia

fuera.

q Normalmente, el proceso de Conformal Coating ¡es el último de los procesos que involucran algun químico!

q Considera que es ¡una “sopa” de residuos químicos!

q ¿Necesitas limpiar antes de aplicar laca? ¡Límpia o Prueba y Comprueba!

q El conformal coating, es una membrana que filtra vapores y residuos, ¡NO es protección contra agua!


¿POR QUÉ Y PARA QUÉ SE UTILIZA?

• Principalmente, para protección de los ensambles electrónicos de:

• Ambientes nocivos y agresivos

• Rebabas o reciduos metálicos

• Filamentos de estaño residuales

• La protección con Conformal Coating ayuda:

• Cuando existen limitaciones en las separaciones entre pads o pistas.

• Extender las garantías de los productos, pues incrementan el tiempo de vida útil de los ensambles.


¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE LACA?

Los 3 más comúnes:

1. Acrílico

2. Poliuretano

3. Silicón

Otros:• Paralyne

• Epóxicos

• Hules Sintéticos (Nuevo)


TIPOS DE CONFORMAL

Conformal Coating base Acrílico• Representa el 80% del total del mercado

• Simple, material de un solo elemento

• Excelente resistencia a la Humedad

• Facil de aplicar

• Cura rápido (seca, solo se evaporan los solventes)

• Facil de reparar

• No tienen buena resistencia química

• Principalmente se utiliza en ensambles con carcasa

Lo encontramos comúnmente en Sistemas de Control Automotriz, Comunicaciones, etc.


TIPOS DE CONFORMAL

Conformal Coating base Poliuretano• Poseen muy buena resistencia a los solventes

• Existen sistemas de 1 o 2 partes.

• Facil de aplicar

• El tiempo de curado es más largo

• Dificil de reparar

Se recomiendan cuando se busca proteger los ensambles contra gases nosivos, ambientes salinos o si se

requiere protección contra solventes.

Se utiliza en usos Industriales, Químicos, etc.


TIPOS DE CONFORMAL

Conformal Coating base Silicón• El mejor desempeño en altas temperaturas

• Resistentes a los solventes (aunque más limitada)

• Existen opciones libres de solventes

• Difíciles de aplicar

• Pueden existir complicaciones para curarlos

• Practicamente, irreparables.

• Precio: MUY CAROS!

Los conformal coatings base silicón son una amenaza para otros procesos debido a la alta probabilidad de

contaminación de residuos de silicón.

Se utilizan comunmente en aplicaciones de Perforación Industrial, Minería, etc.


TIPOS DE CONFORMAL

Conformal Coating base Hule Sintético• Aunque son base solvente, no tienen Tolueno

• Excelente protección contra la humedad (muy bajo índice de Permeabilidad de Vapor de Humedad)

• Alta flexibilidad ( Yg bajo), por tanto bajo estrés mecánico (bajo CTE).

• Muy buen desempeño en altas temperaturas.

• Muy buenas propiedades de adherencia

• Curado rápido

• Facil de aplicar y es reparable

• Todavía no está incluido como tipo de Conformal Coating en el IPC

• Su contenido de sólidos es de 15 a 20 %

Son la mejor opción cuando se busca un material flexible como el silicón (y sin los riesgos de contaminación),

pero con la facilidad de aplicación de un acrílico!


TIPOS DE CONFORMALEn Resumen…

Tipo /Característica AR PU SR UV RU

Facilidad de Aplicación 4 4 2 4 5Tiempo de

Curado/Secado4 3 1 5 4

Resistencia Química 1 4 4 5 1Protección vs. Humedad 5 4 4 5 5

Retrabajo/Reparación 5 3 0 2 5Amigable al Medio

AmbienteDepende de solvente Depende del

solvente5 5 5

Principal Beneficio Uso Universal Resistencia Química Para Altastemperaturas

Altos volúmenesde producción

Para Altastemperaturas,

reparable


TIPOS DE CONFORMALRecuerda, por sus propiedades…

• Los Acrílicos son la mejor opción para los procesos más comúnes si se busca simplicidad.

• Los Uretanos son los mejores para la protección contra químicos.

• Los silicones son flexibles y tienen el mejor desempeño en altas temperaturas.

• Los UV son la mejor opción cuando se habla de altos volúmenes de producción.


Primero, necesitamos información vital:

• ¿Necesitas protección contra químicos?

• ¿Las temperaturas de operación son extremas?

• ¿Cuál es el requerimiento mínimo de protección?

• ¿Qué método de aplicación utilizarás?

• ¿Cuál es el tiempo de curado máximo que puedes sostener?

• ¿VOC, es problema?

• ¿Volúmen de producción?

• ¿Requieres algún tipo de calificación?

¿CÓMO SELECCIONAR EL CONFORMAL?


¿CÓMO SELECCIONAR EL CONFORMAL?

Temperatura máxima de operaciónArriba de 140°C

Silicón

Resistencia a la Humedad Resistencia Química

Acrílico Poliuretano UV

Resistencia química y a la humedad

Non-qualifiedUV40-SolarUV40-HVUV40GEL

QualifiedUV40

UV40-250UV50LVUV500

Non-qualified

1B121B151B661R32

1R32-A2

Qualified1B181B311B73

Non-qualified

1A68

Qualified1A201A271A332A64

Non-qualified

1C482C51

Qualified1C511C531C551C49

1C49LV1C49LVF1C49HVF

1C63

Qualified1B51

1B51NSLU1B58LU

HuleSintético

Otras consideraciones

Tipo de Curado: RTV, Calor, UVMedio Ambiente: VOC, Contenido de sólidosCosto: Precio, Aplicación, Velocidad

- Qualified = UL, IPC, or MIL

Temperatura máxima de operaciónPor debajo de 140°C

HuleSintético

Non-qualified1B59LU

Resistencia a la Humedad


¿CÓMO APLICAR EL CONFORMAL?

Costo y eficiencia



Brocha / PincelVentajas:

Capital de inversión necesario muy bajo y no demanda mucha habilidad del operador.

Desventajas:

El proceso es muy lento e inconsistente; suceptible a contaminación por el tipo de herramentales utilizados.

Además de depender completamente de la habilidad del operador, este esta expuesto directamente al químico.

Se recomienda para volúmenes de producción muy bajos y diseñoscomplicados de tarjetas electrónicas.



Dispensado ManualVentajas:

Capital de inversión necesario muy bajo. Es un proceso semi-automatizado que además de poder dispensar

conformal coating, puede ser utilizado para dispensar geles y lacas de alta viscosidad.

Desventajas:

El proceso es muy lento y la presición de la aplicación depende de la técnica del operador. Hay tendencia a

generar grosores elevados.

Se recomienda para volúmenes de producción bajos y losrequerimientos incluyen el uso de geles o materiales viscosos.



Atomizado ManualVentajas:

Capital de inversión necesario bajo. Es un proceso simple de uso generalizado y que cuyos herramentales se

pueden encontrar facilmente.

Desventajas:

La exposición al químico y los vapores orgánicos es constante. Se requiere más habilidad en la operación para

poder asegurar una cobertura adecuada y consistencia en la aplicación. Requiere “enmascarar” las zonas no

permitidas.

Se recomienda para volúmenes de producción medios y para clientes que requieran 2 o 3 capas.



InmersiónVentajas:

Capital de inversión necesario medio. El proceso puede exponenciar la producción ya que aplica conformal

coating a varias tarjetas al mismo tiempo. Hay buena penetración de laca debajo de los componentes. El control

de espesor es simple.

Desventajas:

Suceptible a contaminación. Requiere ”enmascarar” las zonas no permitidas.

Se recomienda para volúmenes de producción medios y altos.



Selectivo AutomatizadoPuedes aplicar la laca de modo selectivo o no selectivo, eligiendo un proceso “in-line” o por lotes. Los equipos

normalmente cuentan con un software para programar los movimientos del robot de 3 o 4 ejes.

Ventajas:

Proceso repetible y reproducible. Incrementa la productividad y mejora la calidad del proceso. Idóneo cuando no

se quiere “enmascarar”.

Desventajas:

Inversión de capital necesario alta.

Se recomienda para volúmenes de producción medios y altos, con alta mezcla.



BROCHA / PINCEL

APLICACIÓN MANUAL

ATOMIZADOMANUAL

INMERSIÓN SELECTIVOAUTOMATIZADO

AR Si Si Si Si Si

UR Si Si Si Depende de la tecnología

Si

SR Si Si Si Depende de la tecnología

Si

RU Si Si Si Si Si

UV Si Si Si No Si

Ventajas Bajo costo Geles y materialesviscosos

Costo medio Rápido, aplicaciondoble lado

Rápido, consistente

Desventajas Lento, consistencia

Control de espesor, depende del operador

Enmascarado Depende del diseño de PCB

Costo



Una Guía general..Calcula el alcance de tu proyecto:

Ø ¿Hay equipo disponible para aplicar? ¿De qué tipo?

Ø ¿Hay capital disponible para comprar uno?

Ø Basado en el diseño de la tarjeta, ¿qué métodos son convenientes?

Ø ¿Requieres algún tipo de calificación? (UL, MIL, etc)

Ø El costo del material, ¿es una limitante?

Ø Los VOC, ¿es una limitante?

Ø ¿Cuánto es el forecast de producción?


Conformal sobre materiales de procesosNo-Clean

Condiciones ambientales que afectan al Conformal Coating durante la aplicación.

q Temperatura – Puede afectar la viscosidad

q Humedad – Contamina los tanques, afecta el curado y el pot life

q Ventilación – Afecta a los operadores


Ø El conformal coating se ha utilizado por más de 50 años

Ø Durante todo este tiempo, se ha aplicado sobre una gran variedad de materiales de

ensamble

Ø Es un hecho que se obtendrá el mejor desempeño de los conformal coatings cuando éstos

son aplicados sobre sustratos limpios.

Ø Para muchos sectores de la industria, las pastas y fluxes ”No Clean”, son ahora obligatorios

Ø Por que ahorran tiempo

Ø Ahorran dinero

Ø Cumplen con los requerimientos de desempeño en las condiciones de trabajo finales.

Ø LOS PRODUCTOS NO CLEAN, LLEGARON PARA QUEDARSE

Conformal sobre materiales de procesosNo-Clean


Determinando la compatibilidad

§ Ten en cuenta que el Conformal Coating “sella” tanto de afuera hacia adentro como de adentro

hacia fuera.

§ No Clean no significa “libre de residuos”

§ Habrá residuos de los diferentes procesos de ensamble anteriores en el PCB

§ Los residuos son “iónicamente” limpios, sin embargo estos residuos pueden interactuar con el

conformal

§ Es necesario comprender la compatibilidad entre estos dos “ingredientes”.

§ ¿Cómo definimos esta compatibilidad?

§ ¿Qué métodos existen para evaluarla?

Conformal sobre materiales de procesos No-Clean


Determinando la compatibilidad…

Las preguntas básicas con las que debemos comenzar:• ¿Al aplicar la laca sobre el PCB, ésta moja bien la tarjeta y cubre incluso los residuos?• ¿La laca se adhiere a los residuos de tu tarjeta?• ¿Como se comportan sus propiedades de aislamiento? (SIR)

Hay mas cuestiones involucradas:• Pruebas eléctricas y funcionales• Pruebas ambientales de confiabilidad

• Ciclos térmicos / Choques térmicos• Ciclos de temperatura y humedad

• Cualquier otra prueba que el cliente final pudiera definir.



La pregunta más importante de todas: ¿Necesitamos limpiar antes de aplicar conformal coating?

Es una realidad que muchos usuarios de conformal coatings aplican sobre ensambles que no han sido

limpiados. Es altamente probable que en dichos ensambles existan residuos de fluxes, grasa

corporal (huellas digitales por manejo), etc.

Definitivamente, los mejores resultados a largo plazo se obtienen cuando el conformal coatin es

aplicado adecuadamente y sobre superficies limpias.

De nuevo, si queremos determinar la compatibilidad de los “ingredientes”, lo mejor es hacer pruebas

coordinadas entre el Fabricante y los Clientes.



AdherenciaEl primer problema de compatibilidad es la adherencia. Es también el problema más evidente, puesto

que se detecta visualmente. Una falla de aherencia se puede detectar como “ampollas”, que bien pueden aparecer inmediatamente o conforme el proceso de curado avanza.

¿Cómo lo puedes probar?• Tape test• Crosshatch• Scratch test• Choques térmicos

Los cambios de temperatura afectan la adherencia. Hay muchos protocolos disponibles para probar, el más común: -65C / +125C con una gradiente de 40C por minuto durante 50 o 100 ciclos.

Cuando se observen las fallas, hay que clasificarlas:• ¿donde ocurre la pérdida de adherencia?• ¿es por interacción Conformal-residuos?• ¿es por interacción residuo-tarjeta?



Resistencia de AislamientoOtra evidencia de compatibilidad, se puede obtener midiendo la resistencia de aislamiento a través del

método de SIR Test (Surface Insulation Resistance).Esta prueba normalmente se corre a 85C y 85% HR. Las combinaciones de ”ingredientes” que

comúnmente se evaluan, utilizando cupones estándar:• Solamente pasta y flux• Solamente conformal coating• Pasta/Flux + Conformal coating• Muestras de control (sin pasta ni flux ni conformal coating)



Interacción del Conformal Coating con Pastas y Fluxes1. Conformal Coatings base solvente

• La baja tensión superficial de los solventes ayudan al mojado del sustrato.• Incluso, los solventes pueden tener una ”accion de limpieza” del sustrato• Algunos residuos “suaves” pueden funcionar como “anclas” que ayudan a la adherencia del

conformal coating.• Los solventes también pueden parcialmente disolver algunos residuos duros y liberar materiales

iónicos que estaban dentro.2. Silicones

• Pueden mojar sin problemas muchos tipos de sustratos• Tienen mucha flexibilidad = buen desempeño en los choques térmicos• Algunos fluxes/pastas contienen ingredientes que inhiben el curado de los silicones

3. UV• Normalmente, son muy sensibles a los residuos• Al no contener solventes, su tensión superficial no se reduce• Se formulan con aditivos específicos para poder tener mejor control en el mojado



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¿Preguntas?

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