Quy trình phủ bảo vệ bảng mạch điện tử – Làm thế nào để tạo ra một lớp phủ bảng mạch

Bên cạnh những lợi ích của lớp phủ bảo vệ bảng mạch điện tử , không thể phủ nhận rằng phủ bảng mạch là một quy trình không hề đơn giản. Hiểu rõ quy trình của phương pháp này giúp các nhà sản xuất và các kỹ sư sản xuất tận dụng được nó và tránh được các lỗi có thể gặp phải sau này.

Quy trình phủ bảng mạch có thể tóm tắt theo sơ đồ sau:

Click vào tên các bước để xem chi tiết

Tẩy rửa và làm sạch bảng mạch

Làm sạch để chuẩn bị một bề mặt trước quá trình phủ là bước cực kì quan trọng. Làm sạch và chuẩn bị bề mặt hiệu quả rất quan trọng đối với hiệu suất tức thì và lâu dài của cả lớp phủ lẫn bảng mạch điện tử. Các chất bẩn còn sót lại như là ion, muối, chất trợ , dầu mỡ và các hạt bẩn dẫn đến độ dính kém của lớp phủ và do đó gây hút ẩm, ăn mòn và các hỏng hóc về điện sau này.

Có 5 cơ chế để loại bỏ các chất bẩn khỏi bề mặt:

• Hòa tan: Lựa chọn một dung môi có thể hòa tan hoàn toàn các chất gây ô nhiễm. Khi làm sạch các cụm lắp ráp nơi các linh kiện đã được hàn cố định, biết loại chất trợ hàn nào được sử dụng rất quan trọng để chọn được dung môi phù hợp. Ví dụ, một chất trợ hàn gốc nhựa thông được tẩy rửa tốt nhất bằng các dung môi hữu cơ trong khi chất trợ hàn gốc nước yêu cầu sử dụng nước hoặc nước-isopropanol để làm sạch hiệu quả.
• Phản ứng hóa học: Bằng phương pháp này, các chất bẩn phản ứng với dung dịch hóa học và được chuyển hóa thành các chất hòa tan mà sau đó có thể rửa sạch. Phản ứng hóa học cũng có thể có tính chất khô như quá trình ôxi hóa các chất bẩn hữu cơ bởi ozone và oxy nguyên tử được tạo ra khi tiếp xúc với tia cực tím trong không khí hoặc oxy.
• Vật lý: Quá trình loại bỏ vật lý các hạt bao gồm việc sử dụng chất lỏng với áp suất cao hoặc khí trơ, hoặc chà, mài mòn hoặc chải cơ học.
• Xử lý Plasma: Cho các bộ phận tiếp xúc với plasma khí argon hoặc oxy là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các chất bẩn hữu cơ mỏng. Khi sử dụng hỗn hợp argon và oxy, cơ chế là vật lý- hóa học vì nó kết hợp bắn phá các nguyên tử được cung cấp năng lượng với quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ.    
• Sấy chân không: Sấy chân không loại bỏ các chất bẩn dễ bay hơi như các loại polyme phân tử khối thấp, các dung môi, hóa chất hoặc độ ẩm được hấp thụ hoặc hấp phụ trong quá trình sản xuất.

Thực tế, phương pháp làm sạch sử dụng kết hợp các cơ chế trên là phương pháp hiệu quả nhất.

Phủ bảo vệ tạm thời

Thông thường, không phải linh kiện nào trên bảng mạch cũng yêu cầu phủ bảo vệ. Trong thực tế, một vài bề mặt phải được để nguyên không phủ, ví dụ như các bề mặt mà sau đó sẽ thực hiện các kết nối điện. Trên hầu hết các bảng mạch in điện tử, các vị trí phổ biến không yêu cầu lớp phủ bao gồm:

• đầu nối, vị trí kiểm tra và chân cắm ở những vị trí phải duy trì tính liên tục về điện;
• các linh kiện nhạy cảm hoặc không được bọc kín, ví dụ như cuộn cảm hoặc rơ le;
• các vị trí xuyên lỗ lớn hoặc các lỗ mà qua đó lớp phủ chảy qua;
• bề mặt đèn LED nếu ánh sáng phát ra bị ảnh hưởng bởi lớp phủ
• trong một số trường hợp, một số cụm mạch tích hợp nhất định, chẳng hạn như BGA và QFN, nếu việc nối dây bên dưới linh kiện là không cho phép.

Có nhiều kĩ thuật che phủ tạm thời sử dụng các vật liệu phủ khác nhau như băng keo một mặt, miếng băng dính, vỏ bọc, latex lỏng hoặc gel/keo phủ UV trong quy trình phủ bảo vệ bảng mạch. Điểm quan trọng là biết cách sử dụng riêng hoặc kết hợp các loại vật liệu riêng biệt đó để đảm bảo không xảy ra các hỏng hóc trên lớp phủ.

Phủ bảo vệ mạch

Do sự đa dạng và phức tạp của các bộ phận điện và điện tử, rất nhiều phương pháp phủ bảng mạch được sử dụng hiện nay. Quy trình phủ bảng mạch có thể kể đến từ các phương pháp phổ biến và đơn giản nhất, và tiết kiệm chi phí như phun thủ công hoặc phương pháp nhúng, cho đến các phương pháp lắng đọng pha hơi đặc biệt tốn kém và phương pháp phun phủ chọn lọc.

Các phương pháp Phủ Bảo vệ Mạch điện tử

Đóng rắn/ Sấy khô keo

Có nhiều phương pháp được sử dụng để đóng rắn hoặc polyme hóa các lớp phủ hữu cơ. Đóng rắn bằng nhiệt là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất ứng dụng cho hầu hết các loại epoxy, polyurethane, silicone, polyimide. Với những quy định mới của chính phủ về phát thải các chất dễ bay hơi và bảo tồn năng lượng cùng với nhu cầu rút ngắn thời gian đóng rắn để tăng sản lượng, phương pháp đóng rắn như polyme hóa bằng ánh sáng UV, đóng rắn bằng độ ẩm, đóng rắn bằng vi sóng, và đóng rắn bằng chùm điện tử đang trở nên phổ biến hơn.

• Đóng rắn nhờ vào bay hơi: chất lỏng nền bay hơi đi và chỉ để lại lớp nhựa phủ. Mặc dù lý thuyết này khá đơn giản, nhưng bảng mạch thường cần nhúng ít nhất 2 lần để có được một lớp phủ phù hợp trên các cạnh của các linh kiện. Dù chất lỏng nền là dung môi hoặc nước thì độ ẩm cũng ảnh hưởng đến các thông số của quá trình phủ. Hệ thống dung môi có xu hướng dễ xử lý hơn, và cho một lớp phủ đồng nhất nhờ vào tính thấm ướt tốt và thời gian đóng rắn nhanh. Tuy nhiên, dung môi thường dễ cháy, vì vậy phải có hệ thống thông gió và hút khí đầy đủ. Sử dụng vật liệu nền nước có thể loại bỏ nguy cơ gây cháy, mặc dù loại lớp phủ này sẽ có xu hướng khô lâu hơn, và có thể rất nhạy cảm với độ ẩm không khí.

• Đóng rắn bằng nhiệt: nâng nhiệt độ để khơi mào cho quá trình đóng rắn hoặc đạt được đóng rắn hoàn toàn. Tất cả các lớp phủ nền dung môi đều yêu cầu khô bằng việc bay hơi dung môi ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao hơn. Hệ thống keo phủ 2 thành phần ( nhựa và chất đóng rắn hoặc nhựa và chất xúc tác) thường yêu cầu nâng nhiệt độ để polyme hóa và đóng rắn hoàn toàn. Việc đóng rắn bằng nhiều bước với nhiệt độ tăng dần thường được yêu cầu để đóng rắn hoàn toàn, giảm ứng suất, và giảm hiện tượng “thoát khí” (outgassing) từ lớp phủ bảo vệ bảng mạch.

• Đóng rắn bằng độ ẩm: Một vài nhựa tiền polyme hoặc monome chứa các nhóm chức năng bị bất hoạt và không hoạt động cho đến khi tiếp xúc với độ ẩm không khí. Độ ẩm phản ứng với nhóm bị bất hoạt và giải phóng nhóm chức năng và cho phép chúng thực hiện trùng hợp. Hầu hết silicon đóng rắn ở nhiệt độ phòng và nhiều polyurethane đóng rắn theo cơ chế này. Các tính chất cơ học và tính chất điện tối ưu thường yêu cầu 24-48 giờ tiếp xúc với không khí với độ ẩm tối thiểu là 30% và đôi khi yêu cầu đóng rắn nhiệt trong một khoảng thời gian ngắn. Với lý do đó, các cơ sở sản xuất ở những vùng khí hậu nóng và khô nên tránh lựa chọn loại vật liệu phủ bảo vệ đóng rắn bằng độ ẩm.

• Đóng rắn bằng UV: Đóng rắn bằng UV là một quá trình quang hóa nhanh chóng, trong đó ánh sáng cực tím tạo ra phản ứng quang hóa đóng rắn lớp phủ ngay lập tức. Các tính chất hữu ích như đóng rắn nhanh, giảm phát thải dung môi, đóng rắn ở nhiệt độ phòng, và khả năng phủ các thiết bị và các mạch nhạy cảm với nhiệt độ khiến các chất có tính chất quang trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng điện tử. Đóng rắn tối ưu xảy ra ở khoảng bước sóng 250-400 nanomet. Hạn chế chính khi sử lớp phủ đóng rắn quang học trên các mạch điện tử là ánh sáng không chiếu tới được những vị trí màng phủ bị che khuất bởi các linh kiện lớn. Để hạn chế điều này thường sử dụng cơ chế đóng rắn thứ hai, ví dụ, đóng rắn bằng UV kèm theo đóng rắn bằng nhiệt độ hoặc độ ẩm. Bên cạnh đó, phương pháp này yêu cầu đầu tư đầu tư vào thiết bị đóng rắn UV.
• Đóng rắn bằng sóng vi sóng: Đóng rắn bằng vi sóng tần số thay đổi là quy trình được phát triển gần đây để đóng rắn nhanh lớp phủ, keo dính, vật liệu che chắn polyme. Nó khác với các quy trình xử lý bằng sóng thông thường ở chỗ sử dụng tần số biến đổi thay vì tần số cố định. Đóng rắn bằng sóng vi sóng tần số thay đổi cho kết quả nhanh hơn từ 2 đến 10 lần so với đóng rắn nhiệt thông thường. Một lợi ích khác là nó cho phép phân phối đồng đều và kiểm soát chính xác năng lượng vi sóng và làm nóng các vùng lớn một cách đồng đều.
• Polyme hóa bằng chùm điện tử: Khi thực hiện quá trình trùng hợp, dòng điện tử tạo ra các gốc tự do, các gốc ion, và các dạng hoạt hóa khác từ chất lỏng hoặc khí hấp thụ trên bề mặt. Những thành phần hoạt hóa này có thời gian tồn tại rất ngắn và nhanh chóng kết hợp để tạo nên chuỗi polyme dài ở dạng rắn. Về khía cạnh này, trùng hợp bằng dòng điện tử tương tự như trùng hợp bằng ánh sáng UV. Ưu điểm của việc áp dụng và đóng rắn lớp phủ bằng việc tiếp xúc với chùm điện tử là tốc độ đóng rắn nhanh và không yêu cầu nhiệt độ để đóng rắn, điều này làm giảm nguy cơ gây xuống cấp các thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ. Các màng mỏng cũng có thể lắng đọng trên các vị trí mong muốn mà không cần che chắn bằng cách lập trình và định hướng chùm tia. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, quy trình sử dụng chùm điện tử vẫn có những ứng dụng hạn chế do chi phí thiết bị ban đầu cao, chi phí vận hành cao, các vấn đề về che chắn và sự nhảy cảm của các thiết bị bán dẫn đối với bức xạ điện tử. Phụ thuộc vào năng lượng electron, quá nhiệt và hư hại bề mặt có thể xảy ra.

Sau khi đóng rắn, lớp phủ tạm thời sẽ được lột bỏ, thường thủ công, sau đó bảng mạch được chuyển đến công đoạn tiếp theo.

Kiểm tra

Kiểm tra dưới ánh sáng UV cho thấy các khu vực không được phủ, nhưng thường không phát hiện được các lỗ kim nhỏ hoặc các khu vực rất nhỏ không được phủ. Tiêu chí kiểm ra cho bảng mạch dây in theo tiêu chuẩn MIL-C-28809^[6] và  IPC-A-610^[7]

 Bên cạnh việc kiểm tra trực quan lần cuối, kiểm tra không phá hủy, kiểm tra phân tích vật lý phá hủy (DPA) có thể thực hiện trên mô đun đã được phủ hoặc trên sản phẩm thử nghiệm trước khi giao hàng. Những bài kiểm tra này có thể bao gồm tiếp xúc với nhiệt độ tăng dần, thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ, sốc nhiệt, sốc cơ học và tiếp xúc với nhiệt độ và độ ẩm sau đó

Sửa chữa và gia công lại

Khả năng làm lại lớp phủ là rất quan trọng đối với các mô đun phức tạp với mật độ cao, một số mô đun trong số đó có thể có giá trị lên đến hàng nghìn đô la hoặc là những mô đun không cho phép được chế tạo lại.

Những phương pháp làm lại lớp phủ và sửa chữa được sử dụng rộng rãi có thể kể đến như dưới đây:

Khi lớp phủ đã được loại bỏ và linh kiện trên đó được thay thế, việc phủ lại lớp phủ ban đầu có thể gặp vấn đề, đặc biệt là khi sửa chữa tại nhà máy. Lớp phủ ban đầu có thể được lắng đọng bằng các thiết bị đặc biệt hoặc các quy trình dưới điều kiện được kiểm soát mà không có sẵn tại nhà máy. Do đó, cần phải sử dụng một lớp phủ khác với lớp phủ ban đầu mà có thể dễ dàng xử lý hơn. Lớp phủ này phải tương thích với lớp phủ ban đầu và mang lại các tính chất điện  khả năng bảo vệ khỏi môi trường và các tính chất điện tương tự.

Để biết thêm thông tin về ứng dụng phủ mạch, vui lòng liên hệ: