Химически стойкие печатные платы: Спецификации материалов, Руководство по покрытию и Предотвращение отказов

Химически стойкая печатная плата: краткий ответ (30 секунд)

Разработка химически стойкой печатной платы требует подбора материалов платы и защитных слоев в соответствии со специфическими химическими агентами (кислотами, щелочами, растворителями или топливом) в рабочей среде.

Выбор подложки: Стандартный FR4 разрушается в сильных кислотах или высокотемпературных растворителях. Используйте полиимид, PTFE (тефлон) или керамику для экстремальной химической стабильности.
Поверхностное покрытие: Избегайте OSP или иммерсионного серебра в агрессивных средах. ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) или ENEPIG обеспечивает лучший барьер против окисления и химического воздействия.
Паяльная маска: Убедитесь, что маска полностью отверждена. Жидкие фоточувствительные (LPI) маски обычно обеспечивают лучшую стойкость, чем сухие пленки, но количество точечных отверстий должно быть минимизировано.
Конформное покрытие: Это основная защита. Парилен (тип XY) обеспечивает превосходную химическую инертность по сравнению с акрилом (тип AR) или силиконом (тип SR).
Заливка (Potting): Для полного погружения или воздействия химикатов под высоким давлением требуется полная герметизация (заливка) эпоксидной смолой или уретаном.
Проверка: Перед массовым производством проверьте стойкость с использованием методов испытаний IPC-TM-650 2.3.x (например, химическая стойкость к растворителям).

Когда применяется химически стойкая печатная плата (и когда нет)

APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) рекомендует конкретные меры химической стойкости для следующих сценариев:

Автомобильная и аэрокосмическая промышленность: Платы, подверженные воздействию гидравлических жидкостей, топлива, выхлопных газов или антиобледенительных средств.
Медицинские устройства: Оборудование, проходящее повторные циклы стерилизации (автоклав, химическая протирка отбеливателем или спиртом).
Промышленное управление: Печатные платы, расположенные рядом с ваннами для химической обработки, линиями гальванического покрытия или в средах с высоким содержанием серы/хлора.
Морские применения: Постоянное воздействие соляного тумана и влажности, что ускоряет гальваническую коррозию.
Сельскохозяйственные технологии: Воздействие удобрений, пестицидов и аммиака.

Меры химической стойкости, вероятно, излишни, если:

Устройство работает в контролируемой офисной или домашней среде (стандартная система ОВКВ).
Печатная плата находится внутри герметично запечатанного корпуса IP67/IP68 (корпус обеспечивает химическую стойкость, а не печатная плата).
Продукт имеет очень короткий срок службы, после которого он утилизируется, и долгосрочная коррозия не является причиной отказа.
Ограничения по стоимости строго запрещают конформное покрытие или специализированные ламинаты (используется стандартный FR4 с принятием риска).

Правила и спецификации для химически стойких печатных плат (ключевые параметры и ограничения)

В следующей таблице изложены критические параметры для создания надежной химически стойкой печатной платы.

Правило	Рекомендуемое значение/диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировано
Материал ламината	Высокотемпературный FR4 (>170°C), полиимид или ПТФЭ	Стандартные эпоксидные смолы набухают или растворяются в агрессивных растворителях (например, МЭК, ацетон).	Проверка технического паспорта (раздел химической стойкости); IPC-4101.	Расслоение или размягчение подложки платы.
Покрытие поверхности	ENIG (2-5 мкм золота) или ENEPIG	Золото химически инертно. Серебро и OSP быстро тускнеют или корродируют в сернистом/кислотном воздухе.	Рентгенофлуоресцентный анализ (XRF) для измерения толщины.	Black pad, потеря паяемости или отказ контакта.
Тип паяльной маски	Высококачественный LPI (зеленый часто наиболее прочен)	Маска является первой линией защиты медных дорожек.	Тест на истирание растворителем (IPC-TM-650 2.3.25).	Отслаивание маски, образование пузырей или обнажение меди.
Защитное покрытие	Парилен (0.01-0.05 мм) или эпоксидная смола	Акрилы растворяются в растворителях; силиконы проницаемы для некоторых газов. Парилен не имеет микроотверстий.	УФ-инспекция (если добавлен трассер) или толщиномер.	Проникновение химикатов под компоненты; короткие замыкания.
Защита переходных отверстий	Защищенные, заглушенные или заполненные и закрытые (тип VII)	Открытые переходные отверстия задерживают химикаты/остатки флюса, которые вызывают коррозию изнутри.	Анализ микрошлифа.	Захваченные загрязнители вызывают долгосрочную коррозию стенок отверстий.
Вес меди	≥ 1 унция (35 мкм)	Более толстая медь дольше корродирует при воздействии.	Анализ поперечного сечения.	Быстрые обрывы цепи при выходе из строя защитных слоев.
Зазор по краю	Медь > 0,5 мм от края	Открытые волокна стекловолокна по краю могут впитывать химикаты в слои платы (появление белых пятен).	Визуальный осмотр / Проверка Gerber.	Межслойные короткие замыкания из-за химического впитывания (CAF).
Остатки флюса	Без отмывки или тщательная отмывка	Остатки флюса могут реагировать с влагой/химикатами окружающей среды, образуя проводящие соли.	Тестирование на ионное загрязнение (тест ROSE).	Дендритный рост и токи утечки.
Покрытие золотых контактов	Твердое золото (30-50 мкдюймов)	Разъемы являются точками износа и проникновения химикатов. Твердое золото устойчиво к истиранию и коррозии.	Измерение РФА.	Прерывистое соединение из-за контактной коррозии.
Выбор компонентов	Герметичные / IP-защищенные компоненты	Устойчивая печатная плата не может спасти неустойчивый переключатель или датчик.	Проверка спецификации на соответствие экологическим требованиям.	Отказ компонента, несмотря на сохранение работоспособности платы.

Этапы внедрения химически стойких печатных плат (контрольные точки процесса)

Следуйте этому процессу, чтобы убедиться, что ваш дизайн соответствует требованиям химической стойкости в APTPCB.

Определите химическую матрицу
- Действие: Перечислите каждый химический агент, с которым может столкнуться плата (например, изопропиловый спирт, бензин, пары серной кислоты).
- Ключевой параметр: Концентрация и температура химического вещества.
- Проверка: Подтвердите, является ли воздействие непрерывным погружением, брызгами или паром.
Выберите подложку

Действие: Выберите базовый материал. Для общего сопротивления достаточно High-Tg FR4. Для сильных растворителей укажите Тефлон (ПТФЭ) или керамику.
Ключевой параметр: Скорость поглощения влаги (<0,1%).
Проверка: Убедитесь в совместимости материала с конкретными химическими веществами, определенными на Шаге 1.

Разработка стека и финишного покрытия
- Действие: Выберите поверхностное покрытие ENIG или ENEPIG. Избегайте HASL, если требуется плоскостность для прокладок; избегайте OSP для суровых условий.
- Ключевой параметр: Толщина золота (мин. 2 мкм для ENIG).
- Проверка: Убедитесь, что покрытие закрывает все открытые медные площадки, не покрытые паяльной маской.
Настройка паяльной маски и переходных отверстий
- Действие: Укажите заглушенные переходные отверстия для предотвращения химических ловушек. Установите расширение паяльной маски на ноль или минимум для максимального покрытия.
- Ключевой параметр: Толщина маски > 25 мкм над проводниками.
- Проверка: Выполните проверку DFM, чтобы убедиться в отсутствии "отслоений паяльной маски", которые могут отклеиться.
Указать конформное покрытие
- Действие: Добавьте слой покрытия в примечания по сборке. Выберите парилен для максимальной защиты или уретан для стойкости к истиранию.
- Ключевой параметр: Толщина покрытия (обычно 25-75 мкм).
- Проверка: Определите зоны "Keep Out" для разъемов и контрольных точек на сборочном чертеже.
Рассмотреть экранирование от ЭМП

Действие: При проектировании экранированной от ЭМП печатной платы убедитесь, что проводящая экранирующая краска или корпуса также химически стойки.
Ключевой параметр: Гальваническая совместимость между экраном и покрытием платы.
Проверка: Убедитесь, что экранирующий материал не корродирует при воздействии целевой среды.

Проверка прототипа
- Действие: Закажите небольшую партию и проведите экологические испытания.
- Ключевой параметр: Пройдено/Не пройдено по IPC-TM-650 2.3.4 (Химическая стойкость).
- Проверка: Осмотрите на предмет набухания, изменения цвета или липкости после воздействия.

Устранение неполадок химически стойких печатных плат (режимы отказа и исправления)

Когда химически стойкая печатная плата выходит из строя, это обычно происходит по определенным механизмам. Используйте это руководство для диагностики проблем.

1. Вздутие / Отслаивание паяльной маски

Симптом: Зеленая маска пузырится или отслаивается, обнажая медь.
Причины: Плохая адгезия из-за загрязнения поверхности перед нанесением; химическая атака, размягчающая эпоксидную смолу.
Проверки: Выполните тест на отрыв ленты (IPC-TM-650 2.4.1). Проверьте журналы процесса очистки.
Исправление: Переключитесь на маску LPI с высокой адгезией; улучшите предварительную очистку.
Предотвращение: Убедитесь, что маска полностью отверждена (УФ-отверждение) и совместима с растворителем.

2. Черная площадка / Корродированные контакты

Симптом: Потемневшие контактные площадки, хрупкие паяные соединения или разомкнутые цепи на разъемах.
Причины: Гиперкоррозия никелевого слоя под золотом (Black Pad); сера, атакующая серебряное покрытие.
Проверки: SEM/EDX-анализ интерфейса контактной площадки.
Исправление: Изменить финишное покрытие на ENEPIG или твердое золото.
Предотвращение: Строго контролировать химический состав ванны иммерсионного золочения; избегать иммерсионного серебра в воздухе, богатом серой.

3. Рост проводящих анодных нитей (CAF)

Симптом: Внутренние короткие замыкания между переходными отверстиями или дорожками.
Причины: Проникновение химикатов/влаги вдоль стекловолокон внутри ламината.
Проверки: Тест на электрическую изоляцию; поперечное сечение.
Исправление: Увеличить расстояние между элементами; использовать «CAF-устойчивые» ламинатные материалы.
Предотвращение: Герметизировать края платы; использовать переходные отверстия, заполненные смолой.

4. Расслоение конформного покрытия

Симптом: Покрытие отслаивается от платы, допуская проникновение жидкости.
Причины: Остатки флюса на плате (флюс No-Clean часто является виновником); несовместимый материал покрытия.
Проверки: УФ-осмотр на предмет отслоения; тест на ионную чистоту.
Исправление: Внедрить тщательный процесс промывки перед нанесением покрытия.
Предотвращение: Согласовать поверхностную энергию покрытия с поверхностной энергией платы; при необходимости использовать грунтовку.

5. Коррозия выводов компонентов

Симптом: Ржавчина или зеленое окисление на выводах компонентов, приводящее к разрушению.
Причины: Покрытие не закрыло острые края выводов (недостаточное покрытие краев).
Проверки: Визуальный осмотр под увеличением.
Исправление: Используйте процесс двухслойного покрытия или покрытие с лучшими тиксотропными свойствами.
Предотвращение: Укажите минимальную толщину покрытия на острых краях.

Как выбрать химически стойкую печатную плату (проектные решения и компромиссы)

Компромиссы по материалам Выбор правильного материала для химически стойкой печатной платы включает балансирование стоимости и стойкости.

FR4 + акриловое покрытие: Низкая стоимость. Хорошо для умеренной влажности. Плохо для растворителей.
FR4 + парилен: Средне-высокая стоимость. Отлично подходит почти для всех химикатов. Процесс медленный (вакуумное напыление).
Полиимид: Высокая стоимость. Отличная термическая и химическая стабильность. Сложнее в обработке.
Керамика: Очень высокая стоимость. Непроницаема для большинства химикатов. Хрупкая.

Соображения по экранированию от ЭМП Для экранированной от ЭМП печатной платы метод экранирования должен выдерживать условия окружающей среды. Проводящие краски часто содержат частицы серебра или меди. Если они подвергаются воздействию серы или кислот, сам экран будет корродировать и терять эффективность. В таких случаях металлический кожух, припаянный к плате (покрытый оловом или никелем), часто более надежен, чем проводящий спрей.

Часто задаваемые вопросы о химически стойких печатных платах (стоимость, сроки изготовления, файлы DFM, структура слоев, рентгеновский контроль, класс IPC)

1. Считается ли стандартный FR4 химически стойким материалом для печатных плат? Стандартный FR4 обладает хорошей стойкостью ко многим маслам и мягким чистящим средствам, но он не устойчив к сильным кислотам, щелочам или агрессивным растворителям, таким как МЭК. Для них требуются специализированные покрытия или подложки. 2. Какое конформное покрытие обеспечивает наилучшую химическую стойкость? Парилен (Тип XY) обычно считается золотым стандартом химической стойкости. Он наносится в виде газа, обеспечивая покрытие без микроотверстий. Эпоксидные покрытия также очень устойчивы, но трудно поддаются переработке.

3. Могу ли я мыть химически стойкую печатную плату? Да, и часто это необходимо. Удаление остатков флюса критически важно перед нанесением конформного покрытия. Однако выбранные компоненты должны быть "моющимися" (герметичными), иначе процесс мойки повредит их.

4. Как химическая стойкость влияет на стоимость печатной платы? Она увеличивает стоимость. Переход от HASL к ENIG добавляет ~5-10%. Добавление конформного покрытия добавляет этапы сборки и затраты на материалы. Парилен значительно дороже, чем покрытия, наносимые распылением.

5. Влияет ли цвет паяльной маски на химическую стойкость? Немного. Зеленые маски LPI обычно имеют самую высокую плотность сшивки и лучшую химическую стойкость, поскольку их состав является наиболее зрелым и оптимизированным. Другие цвета могут иметь несколько более низкие характеристики.

6. В чем разница между заливкой и покрытием? Покрытие — это тонкая пленка (микроны), которая соответствует форме. Заливка — это заполнение всего корпуса смолой (миллиметры/сантиметры). Заливка обеспечивает гораздо превосходящую химическую и физическую защиту, но делает ремонт невозможным.

7. Как защитить краевые разъемы? Не покрывайте их. Используйте малярную ленту или защитные колпачки во время процесса нанесения покрытия. Убедитесь, что разъемы имеют покрытие из твердого золота для защиты от коррозии в течение срока службы в сопряженном состоянии.

8. Могу ли я использовать покрытие OSP для химической стойкости? Нет. OSP (Organic Solderability Preservative) — это чрезвычайно тонкий органический слой, предназначенный только для сохранения паяемости до оплавления. Он не обеспечивает долговременной защиты от химикатов окружающей среды.

9. Что такое CAF-стойкость? CAF-стойкость (Conductive Anodic Filament) относится к ламинатам, изготовленным для предотвращения электрохимической миграции вдоль стекловолокна. Это критически важно для плат, подверженных воздействию влаги и напряжения смещения.

10. Как проверить химическую стойкость? Стандартный тест — IPC-TM-650 2.3.25 (Устойчивость к растворителям и чистящим средствам). Он включает в себя протирание поверхности определенными растворителями и проверку на деградацию.

Глоссарий химически стойких печатных плат (ключевые термины)

Термин	Определение
Конформное покрытие	Защитное химическое покрытие или полимерная пленка толщиной 25-75 мкм (обычно 50 мкм), которая 'соответствует' топологии печатной платы.
Парилен	Полимер, осаждаемый из газовой фазы (CVD), который обеспечивает превосходные химические, влагозащитные и диэлектрические барьерные свойства.
Деламинация	Отказ, при котором слои печатной платы или покрытия отделяются от основного материала.
Гигроскопичный	Свойство поглощать влагу из воздуха. FR4 слегка гигроскопичен; полиимид — в большей степени.
ИЗХН	Иммерсионное золото по химическому никелю. Покрытие поверхности, состоящее из барьерного слоя никеля и тонкого внешнего слоя золота.
Заливка	Процесс заполнения всей электронной сборки твердым или гелеобразным компаундом для обеспечения устойчивости к ударам и химическим веществам.
ЖФР	Жидкий фоторезистивный. Тип паяльной маски, которая наносится в виде жидкости, подвергается воздействию УФ-света и проявляется.
Сшивание	Химический процесс, при котором полимерные цепи связываются друг с другом, увеличивая жесткость и химическую стойкость материала.
ПАФ	Проводящий анодный филамент. Электрохимический режим отказа, при котором медь растет вдоль стекловолокон внутри печатной платы.
Устойчивость к растворителям	Способность материала сопротивляться набуханию, растворению или растрескиванию при воздействии растворителей.

Запросить коммерческое предложение на химически стойкие печатные платы (анализ DFM + ценообразование)

Для получения точного коммерческого предложения на ваши химически стойкие печатные платы, пожалуйста, предоставьте ваши Gerber-файлы, спецификацию материалов (BOM) и описание химической среды (конкретные агенты и их концентрации). Инженеры APTPCB рассмотрят вашу структуру слоев и требования к покрытию, чтобы обеспечить соответствие DFM и долгосрочную надежность.

Заключение: Следующие шаги для химически стойких печатных плат

Химически стойкая печатная плата определяется не только базовым ламинатом; она требует комплексного подхода, включающего финишное покрытие, целостность паяльной маски и специализированные конформные покрытия. Независимо от того, сталкивается ли ваше приложение с автомобильным топливом, медицинской стерилизацией или промышленными растворителями, выбор правильной комбинации финишного покрытия ENIG, маски LPI и покрытия из парилена или эпоксидной смолы имеет решающее значение для предотвращения отказов. APTPCB предоставляет необходимые варианты материалов и средства контроля процессов для производства плат, выдерживающих эти агрессивные среды.