PETERS-Ochranný účinek konformních nátěrů, absorpce vody a vodních par

05.03.2021 15:53

Existuje několik vnějších vlivů, které zhoršují provozní spolehlivost elektroniky. Jedním z nich je účinek vlhkosti, např. v důsledku expozice běžnému, neupravenému vzduchu. Klasické prostředky ochrany před selháním elektroniky vystavené vlhkosti jsou konformní povlaky – krycí laky.

U uživatele tak může vyvstat otázka, zda je možné účinek krycí vrstvy testovat. Kromě vyhodnocení testu absorpce vody a propustnosti vodních par existuje řada zkušebních metod, jako např. zkoušky vystavením škodlivým plynům nebo zkoušky jódovými parami, které dokážou popsat funkčnost takové ochrany proti vlhkosti.

Nátěrové materiály se liší jak z hlediska absorpce vody, tak z hlediska propustnosti vodní páry, která může mít vliv na mechanické vlastnosti, adhezi, teplotu skelného přechodu, odolnost vůči světlu a povětrnostním vlivům, vlastnost ochrany proti korozi a elektrické izolační vlastnosti.

Přítomnost vlhkosti a vody samotné patří mezi nejvýraznější faktory ovlivňující požadavky na krycí hmoty. Nicméně propustnost vodní páry a absorpce vlhkosti u polymerů, tj. povlakových vrstev, nejsou absolutní kritéria jako taková pro jejich vyloučení jako izolačního materiálu. Do určité míry jsou všechny polymery parou propustné; tato jejich funkce se nazývá permeace. Stejným způsobem všechny polymery také nasáknou vlhkost, což označujeme jako absorpci.

Obě charakteristiky – absorpci vody a propustnost vodní páry – lze měřit pomocí vhodné metody. V případě absorpce vody je výsledek vyjádřen v procentech, zatímco pro propustnost vody je výsledek označen jako hodnota hmotnosti vztažené k ploše a tloušťce vrstvy.

Obrázek 1: Schematická interakce difúze vodní páry a absorpce vody za klimatických podmínek

Žádná z těchto dvou hodnot není absolutní charakteristikou; jsou závislé na teplotě, převládající relativní vlhkosti (ve skutečnosti na částečném tlaku vodní páry) nebo přítomnosti kondenzované vody na povrchu povlaku. Tato korelace je znázorněna na obr. 1 (kontaminace povrchu je zde pro názornost zanedbána).

Znalostí těchto charakteristických hodnot se skutečně získají informace o vodní bilanci krycího materiálu. Neobsahují však žádné podrobnosti týkající se účinků vodní bilance na elektricko-izolační vlastnosti, tj. pohyb nosičů elektrického náboje v polymerním filmu. Navíc hodnoty propustnosti vodní páry a absorpce vody nejsou vzájemně nezávislé. Se zvyšující se absorpcí vody může významně stoupat difúze vodní páry.

Příklady prostupu vodní páry pro různé konformní laky ELPEGUARD®:

  • Twin-Cure® DSL 1600 E-FLZ / 75 240 g / (m² * d) s tloušťkou povlaku 90 µm
  • ELPEGUARD® SL 1307 FLZ / 232 37 g / (m² * d) s tloušťkou povlaku 60 µm
  • ELPEGUARD® SL 9407 FLZ 32 g / (m² * d) s tloušťkou povlaku 100 µm
  • ELPEGUARD® UTC 1507 FLZ 25 g / (m² * d) s tloušťkou povlaku 60 µm
  • ELPEGUARD® SL 1301 ECO-BA-FLZ / 23 102 g / (m² * d) s tloušťkou povlaku 60 µm

Charakteristikou popisující toto izolační chování je takzvaná hodnota odporu vlhkosti / izolace (MIR), která se často používá jako synonymum pro SIR = povrchový izolační odpor.

Dále byl podrobně zkoumán elektrický izolační odpor za působení vlhkosti. Vlhkostně-izolační odpor použitý v mnoha různých kvalifikačních postupech je kombinovaná vlastnost materiálu a elektrodového systému. Zobrazuje komplexní odporový systém mezi dvěma kovovými elektrodami v hřebenovém vzoru složeném z různých dielektrik jako např. laminátu, polymerního povlaku, vzduchu a vlhkosti vzduchu, a možných svodových proudů z iontových znečištění, tj. pohybů nosičů náboje v tomto elektrodovém systému. Popisuje přímé elektrické dopady absorpce vlhkosti v tomto elektrodovém systému, které jsou podobné těm, které se nacházejí na nosičích elektronických obvodů. Pokles izolace vyvolaný absorpcí vlhkosti je popsán jako zbývající izolační hodnota. Obecnou provozní charakteristikou spolehlivosti elektronických sestav je tzv. povrchový odpor; jeho pokles pod 1 MOhm je obecně považován za kritický. V případě konformního nátěru je dříve daný povrchový odpor (SIR) mezi potenciály nahrazen elektrickým odporem krycího filmu.

Z tohoto důvodu je elektrický odpor často popisován jako hodnota SIR, což není správné. Pro různá pravidla a normy je například přijatelný pokles izolace pod vlhkostí 100 MOhm.

Hřebenové vzory na testovacích deskách IPC jsou typické zkušební struktury pro měření vlhkostně-izolačního odporu. S ohledem na popis konformních povlaků, testovacích desek typů se používají primárně PC-B24 a IPC-B25A.

Takový test se používá k okamžitému zjištění poruch způsobených vlhkostí. Podobně jako tzv. „Highly Accelerated Stress Test“ (HAST), který zahrnuje různé teplotní úrovně anebo odlišné úrovně vlhkosti vzduchu. Z typických kombinací teplot a vlhkostí lze najít například hodnoty 65 ° C / 90 % r. v. nebo 85 ° C / 85 % r. v. Vlhkost pokrývá povrch měřicího zařízení, nebo je absorbována polymery a aplikované předpětí (obvykle mezi 5 a 100 V DC) generuje elektrolytický článek. Mezi typické poruchové mechanismy patří elektrochemický korozní proces nebo delaminace.

Tyto testy lze provést:

  • jako součást kvalifikace produktu (nepájivá maska, krycí lak, bezoplachové tavidlo atd.),
  • jako součást kvalifikace procesu (konformní lakování, pájecí procesy, čisticí procesy, atd.),
  • pro srovnání různých materiálů,
  • pro porovnání různých procesů.

V této souvislosti lze vlhkost a izolační odpor považovat za složený parametr, jako kvalifikační atribut popisující výsledky vícero fyzikálních veličin a jejich redukce na jednu charakteristickou vlastnost.     

Tyto diagramy také zobrazují typické přechodné účinky hodnot odporu, například ve fázi sušení (obr. 2.b). Tyto přechodové křivky vyjadřují typické závislosti na difúzi. Přechodnou absorpci vlhkosti lze takto odvodit z podrobné části gradientu (obr. 3).

Diagram zahrnuje několik konformních (krycích) filmů (barevné čáry) a znázorňuje také chybovou funkci (tečkovaná čára = erf (x)), která popisuje typické matematické řešení bezrozměrnou difuzní rovnici. To znamená, že přechodné jevy lze popsat matematicky pomocí difúzního procesu, resp. difuzní procesy podstupující propustnost vodní páry mohou být stanoveny poklesem vlhkosti / izolačního odporu.  Obvyklé hodnoty pro detekovatelnou difúzi (vyjádřené v g / cm² µm d ) byly získány jako hodnoty elektrického odporu. To stejné platí pro hodnoty absorpce vody obvykle udávané v %, které lze získat jako hodnoty elektrického odporu přímo přes vlhkost / izolační odpor. V následující tabulce jsou uvedeny výsledky různých testů prováděných se šesti konformními laky z řady ELPEGUARD® které však neumožňují vyvodit korelaci na základě uvedených výsledků.

 

DSL 1600 E-FLZ/75

SL1307 FLZ/232

SL 9407 FLZ

UTC 1507 FLZ

SL 1301 ECO-BA -FLZ

SL 1800 FLZ

Test na NOx plyny

GX

GX

GX

GX

GX

GX

Permeabilita vodních par
[g/(m²*d)]

240

37

32

25

102

37

SIR;1000 h, 85 °C/85 % R. H. [log Ohm]

7,9

9,4

8,1

10,1

8,2

9,6

Změna impedance při zkoušce jodovými parami

žádná

žádná

velká

malá

malá

žádná

 

Níže uvedený diagram zobrazuje různé výsledky zkoušek souvisejících s konformním povlakem na bázi akrylátu ELPEGUARD® SL 1800 FLZ, které umožňují stanovit korelaci přímým porovnáním:

Obrázek 4: Různé výsledky testů s ELPEGUARD® SL 1800 FLZ

Tento přístup jasně ukazuje, že absorpce vody a propustnost vodních par jsou důležité vlastnosti z pohledu na ochranný účinek, ačkoliv každá hodnota sama o sobě není významná natolik, aby bylo možné obecně definovat kvalitu konformního povlaku z hlediska odolnosti proti zatížení životního prostředí, a především proti zatížení vlhkostí.

Měření vlhkosti a izolačních odporů (tzv. Hodnoty SIR nebo MSIR vlhkost povrchu / izolační odpor) lze měřit a přímo použít jako hodnotu elektrického odporu.

Pokud jsou tyto hodnoty elektrického odporu stanoveny v sérii postupných zkoušek (měření SIR hodnoty za kondenzace K08, test teplotního cyklu K05, test škodlivých plynů K18 atd.) přidání těchto hodnot v rámci validačních studií umožňuje nejsnadněji vyhodnotit kvalitu aplikovaného konformního povlaku. Provádí se to na sestavených ověřovacích deskách, a to nejen umožňuje vyhodnotit použitý materiál, ale také kvalifikovat kompletní proces krytí lakem nebo tzv. proces pájení elektroniky proti proudu.

LACKWERKE PETERS GmbH + Co. KG, Pavel Gentschev, Dirk Kall, Dr. Manfred Suppa, Stefan Schroeder, INTERCONTI Ing. Tomáš Bravený s.r.o., DPS Elektronika od A do Z, číslo 2

 2021 březen/duben, str. 32

Stáhnout článek v pdf