Bolle nel conformal coating: cause, diagnosi e soluzioni
Bolle nel conformal coating applicato su PCBA
Le bolle nel conformal coating si formano quando aria, solventi o gas generati durante il processo di asciugatura rimangono intrappolati nel rivestimento e non riescono a fuoriuscire. Il problema può comparire durante l’applicazione, subito dopo la spruzzatura oppure soltanto al termine dell’asciugatura. Capire quando diventano visibili le bolle è quindi il primo passo per individuarne l’origine e intervenire sul processo senza modificare parametri scelti in modo casuale.
Nel processo di conformal coating PCB, una bolla non rappresenta sempre automaticamente un difetto. Dimensione, posizione e profondità devono però essere valutate con attenzione. Quando la bolla è tra due pin di un componete e non c’è isolamento, lascia scoperta una parte della scheda o interrompe la continuità del film, la protezione offerta dal coating può risultare compromessa.
Punti chiave
Le bolle nell’applicazione del conformal coating possono essere introdotte dal contenitore di alimentazione della macchina in cui viene messo il materiale, durante l’applicazione se il materiale impatta troppo violentemente su componenti e scheda.
Se compaiono solo dopo il forno, la causa è spesso collegata al flash-off (tempo di attesa tra l'applicazione di uno strato di coating e la fase successiva) o al profilo di polimerizzazione.
Umidità, contaminanti e aria intrappolata sotto i componenti che non riesce ad uscire possono favorire la formazione di bolle.
Aumentare temperatura o pressione senza aver individuato la causa può peggiorare il problema.
Materiale, impianto, scheda e parametri di processo devono essere analizzati insieme.
Indice
- Perche le bolle possono compromettere il conformal coating
- Tutte le bolle nel conformal coating sono difetti
- Come diagnosticare l'origine delle bolle
- Le principali cause delle bolle nel conformal coating
- Come eliminare le bolle dal processo
- Checklist per individuare la causa
- Come prevenire la ricomparsa delle bolle
- Domande frequenti
- Ridurre le bolle significa controllare l'intero processo
Perché le bolle possono compromettere il conformal coating
Il conformal coating HumiSeal® deve formare un film continuo e uniforme sulla scheda elettronica. La presenza di bolle può creare aree nelle quali lo spessore è insufficiente o il rivestimento non aderisce correttamente alla superficie.
I rischi principali sono:
protezione non uniforme, perché il film non copre la scheda in modo continuo;
esposizione di conduttori o componenti, con una minore protezione da umidità e contaminanti;
perdita di integrità del rivestimento, soprattutto in presenza di vibrazioni, shock o variazioni termiche.
Le bolle più critiche sono quelle che si formano tra i pin/terminali adiacenti dei componenti i. In questi punti, l’aria o il gas intrappolato può lasciare scoperta la superficie sottostante e creare un percorso vulnerabile alla corrosione o a fenomeni elettrici indesiderati tipo le dendriti.
Un approfondimento tecnico sulle principali cause evidenzia come il bridging (effetto ponte) tra componenti diventi particolarmente critico nei PCBA ad alta densità.
Tutte le bolle nel conformal coating sono difetti?
No. La sola presenza di una bolla non permette di stabilire automaticamente che il rivestimento non è conforme.
I criteri IPC per la valutazione delle bolle riportano che una bolla può essere generalmente accettabile quando la sua dimensione è inferiore al 50% della distanza tra due pin/terminali del punto considerato e non lascia esposte o collegate superfici conduttive adiacenti.
non lascia esposto un conduttore;
non collega aree conduttive o superfici adiacenti;
La valutazione finale deve essere fatta in base alla classe del prodotto, le specifiche del progetto, i requisiti del cliente e gli standard applicabili alla produzione. Una bolla accettabile dal punto di vista dimensionale può inoltre diventare un indicatore di instabilità del processo quando compare con frequenza crescente o sempre nella stessa posizione.
Come diagnosticare l’origine delle bolle
Il momento in cui il difetto compare fornisce subito una prima indicazione sulla causa.
La tabella seguente consente di restringere rapidamente il campo di analisi.
| Quando compaiono | Possibile origine | Verifiche iniziali |
|---|---|---|
| Nel materiale presente nel serbatoio | Aria o gas presenti nel coating | Pressione del serbatoio, modalità di riempimento, tubazioni di alimentazione, miscelazione troppo veloce |
| Immediatamente dopo il deposito |
Valvola spray o pressione di atomizzazione Impatto troppo violento del materiale sulla scheda |
Eccessiva atomizzazione, programma di deposito, troppo materiale e condizioni della valvola |
| Dopo ripetuti passaggi di applicazione | Sovrapposizione eccessiva delle aree di deposito | Programma di coating, velocità e sovrapposizione delle passate |
| In prossimità o sotto i componenti |
Aria intrappolata dalla geometria dei componenti Evaporazione troppo rapida del materiale caldo |
Direzione di applicazione, spessore depositato, processo di asciugatura troppo rapido |
| Dopo il flash-off, cioè nel tempo di attesa tra l’applicazione di uno strato di coating e la fase successiva, oppure durante il processo di asciugatura | Solventi o gas bloccati nel film | Tempo di flash-off troppo breve, temperatura eccessiva, profilo di asciugatura troppo rapido |
| Soltanto su determinati lotti | Umidità o contaminazione | Conservazione delle schede prima del coating, asciugatura, contaminanti e manipolazione |
Questa sequenza evita di modificare contemporaneamente più parametri senza sapere quale abbia generato il difetto
Le principali cause delle bolle nel conformal coating
Aria intrappolata nel serbatoio pressurizzato
La pressione utilizzata per trasferire il conformal coating dal serbatoio alla valvola può favorire la formazione di piccole bolle d’ aria nel materiale.
Il coating può apparire privo di difetti quando il serbatoio viene aperto. Una prima verifica consiste nel miscelare delicatamente il materiale con una spatola in acciaio inox. La comparsa di numerose piccole bolle può indicare la presenza di aria intrappolata nel materiale.
In questo caso occorre verificare:
pressione del serbatoio;
modalità con cui viene effettuato il riempimento;
lunghezza e diametro delle tubazioni;
distanza tra serbatoio e macchina;
tempo che il contenitore rimane pressurizzato e inutilizzato.
La pressione non deve essere aumentata automaticamente per ottenere una maggiore portata. Il valore corretto è quello minimo che consente al materiale di raggiungere la valvola con un flusso stabile.
Aria introdotta dalla valvola spray
Quando le bolle sono già visibili sul film bagnato subito dopo la spruzzatura, la causa può trovarsi nella valvola o nel sistema di atomizzazione.
Una pressione dell’aria eccessiva può incorporare aria nel coating e, nei casi più marcati, produrre un deposito simile a una schiuma. Anche una viscosità non adeguata o una regolazione non corretta del rapporto tra materiale, diluente (viscosità) e aria può rendere il deposito meno uniforme.
La verifica dovrebbe comprendere:
Viscosità materiale
pressione dell’aria di atomizzazione;
portata del materiale;
distanza tra valvola e PCBA;
velocità di spostamento della valvola;
percorso del programma di deposito;
pulizia e manutenzione della valvola.
La regolazione deve essere effettuata mantenendo una nebulizzazione sufficiente, senza usare più aria di quella necessaria.
Sovrapposizione delle passate e aria sotto i componenti
Durante l’applicazione automatica, una sovrapposizione eccessiva delle traiettorie può danneggiare il coating già depositato. Un impatto troppo violento della nuova passata può incorporare aria nel prodotto ancora liquido.
Anche la geometria della scheda può impedire all’aria di fuoriuscire. Componenti con spazi ridotti, accumuli eccessivi di materiale possono trattenere aria sotto il materiale depositato. L’ottimizzazione delle macchine per il conformal coating deve quindi considerare sia il programma di applicazione sia le geometrie/conformazione reale del PCBA.
In questi casi bisogna controllare:
percentuale di sovrapposizione delle passate;
direzione di applicazione;
velocità della valvola;
quantità erogata
quantità depositata;
capacità del coating di far uscire l’aria da sotto i componenti;
depositi eccessivi localizzati di materiale.
Umidità nella scheda o nei componenti
L’umidità presente nel PCBA o assorbita dai componenti può essere rilasciata dopo l’applicazione del conformal coating. Quando il rivestimento inizia ad asciugare, il vapore cerca di attraversare il deposito. Se la superficie è già asciutta, il gas resta intrappolato e forma una bolla.
Il problema può essere collegato a:
stoccaggio delle schede in ambienti non controllati;
passaggi tra ambienti con temperatura e umidità differenti;
componenti igroscopici;
tempi insufficienti tra lavaggio e applicazione del conformal coating;
asciugatura incompleta del PCBA.
Quando l’umidità è una causa plausibile, il processo deve prevedere una fase di asciugatura coerente con i materiali presenti sulla scheda e con le specifiche del prodotto.
Contaminazione della superficie
Residui di flussante, detergenti, oli, polvere o sostanze trasferite durante la manipolazione possono alterare la bagnabilità del PCB. Il coating può quindi ritirarsi (dewetting), dopo essere stato applicato, da alcune zone invece di distribuirsi uniformemente, lasciando aree scoperte o con uno spessore molto ridotto., o intrappolare aria in punti localizzati.
La pulizia non deve essere considerata automaticamente necessaria in ogni processo. La decisione dipende dal flussante, dal materiale di coating, dai requisiti di affidabilità e dalla compatibilità tra i residui presenti . Un approfondimento sui principali errori di applicazione evidenzia il ruolo combinato di contaminazione, viscosità, pressione e gestione dell’asciugatura.
Flash-off insufficiente
Il flash-off è l’intervallo compreso tra l’applicazione più strati o l’ingresso della PCBA nel forno.
Se il tempo è troppo breve tra l’applicazione di più strati o il coating entra nel forno con una quantità elevata di solvente ancora presente l’aumento della temperatura accelera l’evaporazione, la superficie del deposito che si è asciugata intrappola i gas che non riescono a fuoriuscire. Il risultato è la formazione di bolle dopo l’applicazione, anche se il film bagnato appariva inizialmente regolare.
Profilo di asciugatura o polimerizzazione troppo rapido
Una temperatura iniziale troppo elevata possono asciugare rapidamente lo strato superficiale. Si forma così una pellicola esterna che trattiene solventi in evaporazione, aria, umidità o gas prodotti nella fase di asciugatura.
Le bolle generate in questa fase sono tra le più frequenti e possono manifestarsi soltanto all’uscita dal forno. Tra i possibili interventi rientrano la riduzione della temperatura nelle prime zone, insieme alla verifica della viscosità e della velocità di evaporazione
Come eliminare le bolle dal processo
Ridurre la pressione nel serbatoio
La pressione deve essere abbassata al valore minimo necessario per ottenere una portata stabile.
mantenere il serbatoio sufficientemente pieno;
verificare che la viscosità del materiale sia corretta
che la temperatura ambiente sia tra i 22 e i 26 °C
verificare che il diametro delle tubazioni sia adeguato;
evitare di lasciare il contenitore pressurizzato quando l’impianto non è in uso.
Le indicazioni specifiche sulla pressurizzazione della tanica devono essere coordinate con le indicazioni del costruttore dell’impianto e del produttore del materiale .
Correggere la regolazione della valvola spray
Se le bolle compaiono immediatamente dopo l’atomizzazione, bisogna ridurre progressivamente la pressione dell’aria fino al livello minimo che mantenga portata adeguata, schema di spruzzo stabile, copertura uniforme e deposito coerente con lo spessore richiesto.
La modifica va effettuata controllando contemporaneamente la qualità del deposito da bagnato. Ridurre la pressione senza verificare l’atomizzazione, può infatti generare un deposito irregolare o una copertura insufficiente o non uniforme.
Rivedere il programma di applicazione
Quando il problema deriva dalle passate o dalla geometria della scheda, occorre intervenire sul programma macchina.
sovrapposizione tra depositi;
direzione di spruzzatura;
velocità di deposito;
numero di passate;
quantità depositata;
accumulo intorno ai componenti;
tempo tra la prima passata e quella sovrapposta successiva.
L’obiettivo è, applicare la quantità idonea in accordo con l’IPC830.
Controllare pulizia e asciugatura delle schede
Prima del coating bisogna verificare che il PCB sia privo di umidità residua, libero da contaminanti incompatibili, che sia stato conservato correttamente, manipolato senza introdurre nuove contaminazioni e sufficientemente asciutto dopo eventuali processi di lavaggio.
Per controllare la pulizia delle schede è consigliabile fare ut test di contaminazione ionica.
Se il problema interessa solo determinati lotti, il confronto tra condizioni di stoccaggio, lavaggio e tempo trascorso prima del coating può aiutare a individuare la variabile responsabile.
Aumentare il tempo di flash-off
Quando le bolle compaiono dopo depositi sovrapposti o dopo il forno, una delle prime verifiche da fare, riguarda il tempo disponibile per l’evaporazione iniziale dei solventi.
Il tempo di flash-off deve essere definito in base a tipo di coating, spessore applicato, viscosità del materiale, solventi presenti, temperatura ambiente, ventilazione, geometria e densità dei componenti presenti sulla PCBA. Un tempo più lungo non è sempre la soluzione definitiva, ma può impedire che una quantità eccessiva di solvente sia presente nella fase di asciugatura.
Correggere il profilo del forno
Se la superficie del coating asciuga prima degli strati sottostanti, può essere necessario rendere più graduale il preriscaldo nella prima parte del profilo.
abbassare la temperatura nelle prime zone;
evitare incrementi termici troppo rapidi;
eliminare i deposti con maggiore spessore rendendoli più omogenei;
verificare la temperatura effettiva raggiunta dalla scheda, non soltanto i parametri impostati del forno.
Il profilo deve essere definito sulla base della scheda tecnica del materiale di conformal coating e al suo meccanismo di asciugatura.
Verificare viscosità, diluente e materiale
Una viscosità elevata può rallentare la fuoriuscita delle bolle verso la superficie. Allo stesso tempo, una diluizione eccessiva riduce lo spessore, tipo di erogazione del materiale della valvola e il risultato finale del deposito.
L’eventuale aggiunta di diluente deve quindi essere effettuata esclusivamente utilizzando il thinner raccomandato per il prodotto, rispettando le indicazioni tecniche del produttore, misurando la viscosità, registrando le quantità aggiunte e verificando nuovamente le modalità di applicazione e il comportamento durante l’asciugatura.
In alcuni casi può essere più corretto scegliere una formulazione con viscosità, tensione superficiale o velocità di evaporazione più adatte al tipo di processo che si vuole utilizzare. La valutazione può riguardare anche la scelta dei materiali, come: coating acrilici, coating poliuretanici o conformal coating UV, in funzione dei requisiti che la PCBA deve avere.
Checklist per individuare la causa
Prima di modificare il processo, conviene procedere in questo ordine:
controllare il materiale nel serbatoio;
osservare il deposito immediatamente dopo la spruzzatura;
verificare se le bolle compaiono prima o dopo il forno;
controllare pressione, portata e atomizzazione;
analizzare sovrapposizione dei depositi e traiettorie del programma;
verificare pulizia, asciugatura e conservazione dei PCB;
misurare viscosità e temperatura del materiale;
controllare il tempo di flash-off;
registrare il profilo termico effettivo della scheda;
confrontare il risultato modificando un solo parametro alla volta.
Quest’ultimo punto è determinante. Modificare contemporaneamente pressione, viscosità, temperatura e velocità rende difficile capire quale intervento abbia realmente risolto il problema.
Come prevenire la ricomparsa delle bolle
Una volta individuata la causa, la soluzione deve essere trasformata in un parametro controllato del processo.
È utile definire:
intervallo ammesso di viscosità;
pressione del serbatoio e della valvola;
condizioni ambientali;
tempo minimo e massimo di flash-off;
profilo di asciugatura;
spessore idoneo;
frequenza di manutenzione delle valvole;
criteri visivi di accettazione;
modalità di gestione e asciugatura delle schede.
Il controllo non deve limitarsi alla verifica del materiale depositato da asciutto. Ispezionare il coating anche subito dopo l’applicazione permette di distinguere rapidamente un problema generato dalla dispensazione da uno che si sviluppa durante l’asciugatura. La verifica della protezione degli spigoli del PCB completa l’analisi della continuità/omogeneità del deposito nelle aree più critiche.
Domande frequenti
Perché le bolle compaiono soltanto dopo il forno?
La causa più probabile è l’intrappolamento di solventi, umidità o gas sotto la superficie del prodotto che si è asciugata troppo rapidamente. Bisogna verificare flash-off, temperatura iniziale del profilo, preriscaldo e spessore del deposito.
Aumentare la temperatura elimina le bolle?
Non necessariamente. Un riscaldamento più rapido può chiudere prima la superficie del coating e aumentare l’intrappolamento dei gas. Il profilo deve consentire la fuoriuscita dei solventi prima dell’asciugatura completa del deposito.
Il thinner può risolvere il problema?
Può modificare viscosità e tempi di evaporazione, ma deve essere quello raccomandato per il prodotto e utilizzato entro i parametri suggeriti da costruttore. Una diluizione arbitraria può generare altri difetti e modificare lo spessore finale del deposito.
Come capire se l’aria arriva dal serbatoio?
Il materiale può contenere bolle fin dall’uscita della valvola. Un’ulteriore verifica consiste nel muovere delicatamente il materiale nel serbatoio e osservare se compaiono piccole bolle, possibile segnale di aria intrappolata nel materiale.
Una piccola bolla richiede sempre lo scarto del PCBA?
No. Deve essere valutata in base a dimensione, posizione, distanza dai terminali/pin di un componete, continuità della copertura. Una presenza costante resta comunque un indicatore che il processo di applicazione del coating è da monitorare.
Ridurre le bolle significa controllare l'intero processo
Le bolle nel conformal coating non dipendono da una sola variabile. Possono nascere dal materiale, dall’impianto, dal programma di applicazione, dalla scheda o dal processo di asciugatura .
Per questo non basta intervenire sul difetto visibile. Bisogna individuare il momento in cui si forma e risalire alla causa attraverso una verifica ordinata dei parametri. I difetti del conformal coating devono essere letti come segnali del comportamento complessivo del processo, non come eventi isolati.
Cabiotec supporta le aziende nella scelta dei conformal coating HumiSeal® e nella valutazione dei principali aspetti del processo applicativo, dalla compatibilità del materiale alla gestione di viscosità, spruzzatura, asciugatura.
Stai riscontrando bolle o altri difetti nel conformal coating?
Analizza il processo con Cabiotec e individua la soluzione HumiSeal® più adatta.
Contattaci.