Способ влагозащиты печатных плат
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в технологии изготовления и влагозащиты печатных плат. Технический результат - повышение эффективности влагозащиты печатных плат. Достигается тем, что проводят заполнение пористости в подложке и полимерном покрытии, а заполнение осуществляют после формирования полимерного покрытия. Причем для заполнения пористости используют жидкие полимеризационноспособные композиции на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот, отверждаемые при термообработке печатных плат. 2 н.п. ф-лы.
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в технологии изготовления и влагозащиты печатных плат, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.
Известен способ влагозащиты печатных плат, включающий изготовление печатной платы и нанесение на ее поверхность дополнительного полимерного покрытия (1). Полимерное покрытие формируют различными методами, например нанесением лакового покрытия, шелкографией (защитная паяльная маска) и др. Недостатком способа является недостаточно эффективная влагозащита печатных плат при эксплуатации в экстремальных условиях (длительное воздействие повышенной влажности, повышенная температура, резкие изменения температуры). Это обусловлено преимущественно влагопроницаемостью полимерных покрытий, которые являются лишь диффузионным барьером на пути влаги к поверхности подложки печатной платы, а также структурной неоднородностью и пористостью слоистых пластиков (стеклотекстолит, гетинакс и др.), практически используемых для изготовления подложки печатных плат. Дефекты структуры подложки (макро- и микрополости) имеются на границе раздела: наполнитель - полимерное связующее, а также в самом полимерном связующем. Вода, проникая до подложки печатной платы и в ее объем, снижает уровень сопротивления изоляции между разобщенными цепями печатной платы, следствием чего являются отказы изделий и даже их самовозгорание. В случае недостаточно эффективной отмывки поверхности печатной платы от ионогенных загрязнений влага, проникая к поверхности печатной платы, в результате эффекта осмоса отрывает полимерное покрытие и еще более ужесточает условия работы печатных узлов и также приводит к отказам.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является способ влагозащиты печатных плат, реализованный в патенте (2). Согласно способу-прототипу перед нанесением полимерного покрытия дефекты структуры в подложке печатной платы устраняются (заполняются) акриловыми полимерами. Заполнение дефектов структуры производят следующим образом. Печатную плату погружают в полимеризационноспособную композицию на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот. При этом жидкая композиция проникает в дефектные полости подложки. Так при использовании в качестве подложки стеклотекстолита композиция проникает в макрополости, локализованные преимущественно на границе раздела: стекло - эпоксидная смола, а также в дефекты структуры эпоксидной смолы. Затем, после удаления избытка композиции с поверхности, печатную плату термообрабатывают. При этом происходит полимеризация композиции, проникшей в объем подложки, и превращение ее в твердый полимер с высокими диэлектрическими характеристиками. В результате снижается пористость подложки печатной платы, уменьшается ее водопоглощение и повышается уровень сопротивления изоляции между разобщенными цепями при испытаниях и/или эксплуатации в условиях воздействия влаги.
Способ-прототип не лишен недостатков. Поскольку печатная плата при термообработке не может мгновенно прогреться до температуры, при которой начинается полимеризация, а используемые полимеризационноспособные композиции не могут мгновенно перейти в твердое нелетучее состояние, на первоначальной стадии термообработки наблюдается частичное улетучивание композиции из поверхностного слоя подложки. Это снижает эффективность заполнения дефектов структуры и, следовательно, эффективность способа. Уменьшение индукционного периода до начала полимеризации используемых композиций частично устраняет этот недостаток. Но такие композиции из-за склонности к самостоятельному преждевременному отверждению при хранении и/или применении не могут быть практически использованы в условиях массового производства печатных узлов.
Способ-прототип не устраняет дефекты структуры в защитном полимерном покрытии печатной платы.
К недостаткам способа следует отнести ухудшение адгезии полимерного покрытия к поверхности подложки печатной платы, поскольку при его осуществлении выравнивается шероховатость поверхности подложки перед нанесением полимерного покрытия. Причем, чем выше эффективность заполнения пористости, тем хуже адгезия. Уменьшение коэффициента заполнения пористости поверхностного слоя подложки частично устраняет этот недостаток, но при этом значительно снижается эффективность способа, достигаемая в результате устранения пористости. Эти противоречивые требования разрешаются (устраняются) в предлагаемом способе влагозащиты печатных плат.
Целью изобретения является повышение влагостойкости печатных плат и печатных узлов, изготовленных на их основе.
Указанная цель достигается тем, что способ влагозащиты печатных плат осуществляют следующим образом. На поверхности печатной платы сначала формируют дополнительное полимерное покрытие (нанесение, термообработка и др.). Затем печатную плату с покрытием погружают в полимеризационноспособную композицию на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот или наносят такую композицию на ее поверхность, например, пневматическим распылением. Для повышения эффективности заполнения дефектов структуры можно использовать еще и вакуумирование. После выдержки в течение определенного времени (от нескольких десятков минут до нескольких суток) удаляют избыток композиции с поверхности печатной платы и термообрабатывают ее в сушильном шкафу. Оптимальное время выдержки зависит от вязкости полимеризационноспособной композиции, химической природы и диффузионной проницаемости полимерного покрытия, структуры и химического состава подложки типа печатных плат и т.д. и определяется опытным путем. Для осуществления способа могут быть использованы полимеризационноспособные композиции, содержащие как минимум два компонента: мономер (гликолевый диэфир акриловых кислот) и инициатор полимеризации.
По предлагаемому способу жидкая полимеризационноспособная композиция проникает в полимерную защитную пленку и далее в подложку печатной платы по механизму диффузии. При последующей термообработке печатной платы происходит трехмерная полимеризация композиции, как в объеме полимерного покрытия, так и в объеме подложки печатной платы. При этом в отличие от способа-прототипа наблюдается не только улучшение физико-механических характеристик подложки, но и полимерного покрытия. Трехмерная полимеризация композиции, которая еще и сопровождается образованием взаимопроникающих полимерных сеток, приводит к снижению диффузионной проницаемости полимерного покрытия для влаги. В результате этого наблюдается более высокая эффективность способа влагозащиты по сравнению со способом-прототипом.
Кроме того, трехмерная полимеризация композиции, которая находится одновременно в полимерном покрытии и в подложке, приводит к дополнительному механическому связыванию покрытия и подложки в единое целое и, вследствие этого, увеличению адгезии покрытия.
При осуществлении способа по изобретению так же, как и в способе-прототипе наблюдается частичное улетучивание композиции на первоначальной стадии термообработки. Но, при прочих равных условиях, снижение эффективности влагозащиты при этом значительно меньше. Это объясняется тем, что улетучивание композиции происходит преимущественно из поверхностного слоя полимерного покрытия, а не из подложки. Кроме того, полимерное покрытие содержит значительно меньше крупных дефектных полостей, чем поверхностный слой подложки (слоистый пластик). А улетучивание композиции при термообработке в первую очередь происходит именно из крупных поверхностных макрополостей.
Предлагаемый способ в отличие от способа-прототипа позволяет получить еще один новый технический результат: появляется возможность ремонта (восстановления) печатных узлов с монтажом радиоэлементов и влагозащитным покрытием, в которых на испытаниях и/или при эксплуатации наблюдаются отказы по причине пониженного уровня сопротивления изоляции.
Эффективность способа можно повысить, если заполнение дефектов структуры жидкой полимеризационноспособной композицией проводить на стадии, когда формирование полимерного покрытия (отверждение) еще не завершено до конца. В этом случае из-за увеличения диффузионной проницаемости покрытия резко снижается время, необходимое для заполнения дефектов структуры покрытия и подложки и/или при прочих равных условиях повышается эффективность их заполнения. Завершение формирования полимерного покрытия может осуществляться при термообработке печатной платы одновременно с отверждением полимеризационноспособной композиции при дополнительной термообработке с иными температурными режимами или при других внешних воздействиях, например при воздействии ультрафиолетового облучения.
Способ осуществляют следующим образом:
Пример 1.
На двухстороннюю печатную плату, изготовленную из фольгированного стеклотекстолита, проводят монтаж электрорадиоэлементов. Затем на его поверхности формируют лакокрасочное покрытие эпоксидным лаком ЭП-730 (раствор эпоксидной смолы Э-41 в смеси с гексаметилендиамином в соотношении 100:3 в растворителе Р-51). Покрытие наносят в три слоя с промежуточной сушкой слоев в естественных условиях в течение 0,5-1,0 ч и окончательной сушкой при температуре 90-100°С в течение 3-4 ч. После этого печатную плату погружают в композицию состава, мас.ч.:
| 1. Диметакриловый эфир этиленгликоля | 100 |
| 2. Бензохинон | 0,05 |
| 3. Перекись бензоила | 0,7 |
Печатную плату выдерживают в этой композиции в течение 6 ч. После этого удаляют избыток композиции с поверхности и термообрабатывают печатную плату в сушильном шкафу при температуре 90-100°С в течение 2 ч.
Пример 2.
На многослойную печатную плату проводят монтаж электрорадиоэлементов. После этого на ее поверхность наносят эпоксидный лак (раствор эпоксидной смолы ЭД-16 в смеси с полиэтиленполиамином в соотношении 10:1 в ацетоне). Покрытие выдерживают в естественных условиях в течение 24 ч.
Затем на печатную плату методом пневматического распыления наносят композицию состава, мас.ч.:
| 1. Диакриловый эфир этиленгликоля | 100 |
| 2. Перекись бензоила | 0,8 |
Печатную плату выдерживают в течение 10 ч. Затем печатную плату помещают в сушильный шкаф и термообрабатывают при температуре 80-90°С в течение 3-4 ч.
Пример 3.
На многослойную печатную плату проводят монтаж электрорадиоэлементов. После этого на ее поверхность наносят эпоксидный лак (раствор эпоксидной смолы ЭД-16 в смеси с полиэтиленполиамином в соотношении 10:1 в ацетоне). Покрытие выдерживают в естественных условиях в течение 5 ч.
Затем на печатную плату методом пневматического распыления наносят композицию состава, мас.ч.:
| 1. Диакриловый эфир этиленгликоля | 100 |
| 2. Перекись бензоила | 0,8 |
Печатную плату выдерживают в течение 3 ч. Затем печатную плату помещают в сушильный шкаф и термообрабатывают при температуре 80-90°С в течение 3-4 ч.
Пример 4.
На печатную плату наносят методом шелкографии защитную маску на основе эпоксидной смолы. После отверждения эпоксидного покрытия печатную плату погружают в композицию состава, мас.ч.:
| 1. Диакриловый эфир этиленгликоля | 100 |
| 2. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата) | 20 |
| 3. Гидрохинон | 0,02 |
| 4. Перекись бензоила | 0,5 |
Печатную плату выдерживают в течение 6 ч., удаляют избыток композиции с поверхности и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 100°С в течение 2 ч. Затем проводят монтаж электрорадиоэлементов.
Пример 5.
На печатную плату ламинированием наносят защитную маску с полиэфирной основой. Отверждают покрытие. Проводят монтаж электрорадиоэлементов. Затем печатную плату погружают в композицию состава, мас.ч.:
| 1.Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата) | 100 |
| 2. Октилметакрилат | 10 |
| 3. Гидрохинон | 0.05 |
| 4. Азо-бис-(изобутиронитрил) | 1,0 |
Печатную плату выдерживают в течение 2 ч и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 1-2 ч.
Пример 6.
На печатную плату наносят полимерную защитную маску с эпоксидно-полиэфирной основой. После ее отверждения проводят монтаж электрорадиоэлементов. После этого наносят полимерное покрытие эпоксидным лаком ЭП-730. После его отверждения печатную плату погружают в композицию состава, мас.ч.:
| 1. Диакриловый эфир этиленгликоля | 100 |
| 2. Диметакриловый эфир бис-(триэтиленгликольфталата) | 20 |
| 3. Гидрохинон | 0,03 |
| 3. Перекись бензоила | 0,5 |
Печатную плату выдерживают в течение суток и термообрабатывают в сушильном шкафу при температуре 90°С в течение 3-4 ч.
Технико-экономическая эффективность заявляемого способа заключается в повышении влагостойкости печатных плат, а следовательно, и в повышении надежности радиоэлектронной аппаратуры при работе в экстремальных условиях. Возможные области применения изобретения: оборонная промышленность, космическая техника, нефтегазовый комплекс, связь и др.
Об эффективности предлагаемого способа свидетельствуют результаты опытных работ. Так предлагаемый способ практически использовался для ремонта (восстановления) многослойных печатных плат с защитной полимерной маской. Уровень сопротивления изоляции в цепях земля - питание таких плат при испытаниях на влагостойкость повышался от 30-50 МОм до 1000 и более МОм. Условия испытаний: 1 ч при температуре 25°С и относительной влажности воздуха 95%.
Повышение уровня сопротивления изоляции печатных плат, изготовленных по предлагаемому способу, по сравнению с печатными платами, изготовленными по способу-прототипу, составило в среднем 2-5 раз. Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, максимальная эффективность способа наблюдается в высоконасыщенных печатных платах.
Источники информации
1. A.M.Медведев. Надежность и контроль качества печатного монтажа. - М.: Радио и связь, 1986 г.
2. Патент РФ №2052909. Способ влагозащиты печатных плат. В.Г.Уразаев, А.А.Сарбайцев. Приоритет от 22.12.1989 г. Зарегистрирован 20.01.1996 г.
1. Способ влагозащиты печатный плат, включающий формирование на поверхности печатной платы путем нанесения и отверждения полимерного покрытия, заполнение пористости в печатной плате полимеризационноспособной композицией на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот, отверждение композиции при термообработке.
2. Способ влагозащиты печатных плат, при котором на поверхность печатной платы наносят полимерное покрытие, затем на стадии, когда отверждение полимерного покрытия не завершено до конца, проводят заполнение пористости в печатной плате полимеризационноспособной композицией на основе гликолевых диэфиров акриловых кислот и отверждают композицию при термообработке.
