Dlaczego nie należy bezpośrednio nakładać kleju izolacyjnego na płyty główne z punktu widzenia podzespołów elektronicznych?

 Niedawno klient z Korei Południowej, pytając o zestaw z wyświetlaczem LCD o przekątnej 15,6 cala, zadał pytanie dotyczące zastosowania kleju izolacyjnego.

Opierając się na ponad 20-letnim doświadczeniu w produkcji i projektowaniu, nasi inżynierowie udzielili następującej odpowiedzi.:
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————-

Płytki logiczne, takie jak płytki drukowane (PCB), stanowią centra nerwowe urządzeń elektronicznych, mieszczące złożone

Sieć podzespołów elektronicznych. Choć pomysł nałożenia kleju izolacyjnego bezpośrednio na płytę główną może wydawać się atrakcyjny pod kątem ochrony, może to prowadzić do kilku poważnych problemów z punktu widzenia podzespołów elektronicznych:

1. Zakłócenia w działaniu urządzeń elektrycznych

Klej może przedostać się do niewielkich szczelin pomiędzy wyprowadzeniami lub padami podzespołów (zwykle mniejszych niż 0,5 mm). Tego typu ingerencja może zwiększyć pojemność pasożytniczą lub zmniejszyć rezystancję izolacji. W obwodach wysokiej częstotliwości nawet niewielka zmiana tych parametrów może spowodować poważne zniekształcenie lub osłabienie sygnałów. Na przykład w modułach komunikacyjnych 5G pracujących na częstotliwościach wielogigahercowych niewielki wzrost pojemności pasożytniczej spowodowany klejem może prowadzić do znacznych strat sygnału.

Niektóre kleje zawierają zanieczyszczenia jonowe. Z biegiem czasu, pod wpływem pola elektrycznego i wilgoci, zanieczyszczenia te mogą powodować migrację elektrochemiczną (ECM). ECM może tworzyć ścieżki przewodzące między sąsiadującymi komponentami, co ostatecznie prowadzi do awarii na skutek zwarcia.

2. Uszkodzenie spowodowane naprężeniem rozszerzalności cieplnej

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) powszechnie stosowanych klejów często nie odpowiada współczynnikowi podłoża FR4 (około 17 ppm/℃). Przy wahaniach temperatury, typowo od -40℃ do +85℃ w zastosowaniach przemysłowych, niedopasowany współczynnik CTE generuje naprężenia w połączeniach lutowanych elementów.

Szczególnie podatne na uszkodzenia są elementy typu obudowy BGA (Blade Grid Array), które zawierają bardzo małe kulki lutownicze (o średnicy zaledwie 0,3 mm). Naprężenie może spowodować pęknięcie kulek lutowniczych. Zgodnie z normą IPC-J-STD-020, naprężenie połączeń lutowanych powinno być mniejsze niż 10 MPa, aby zapewnić niezawodną pracę.

3. Pogorszenie wydajności odprowadzania ciepła

Kleje mają na ogół niską przewodność cieplną, zwykle mniejszą niż 0,2 W/(m·K), podczas gdy w przypadku powietrza przewodność cieplna wynosi 0,026 W/(m·K). Choć może się wydawać nielogiczne, że warstwa kleju może pogorszyć odprowadzanie ciepła w porównaniu z powietrzem, w praktyce:

Warstwa kleju o grubości 1 mm może zwiększyć temperaturę złącza urządzeń mocy o około 15℃, zgodnie z pomiarami według normy JEDEC JESD51-2. W zastosowaniach wymagających dużej mocy, takich jak procesory serwerowe, wzrost temperatury może uruchomić mechanizmy zabezpieczające przed przegrzaniem, obniżając wydajność urządzenia.

4. Utrata możliwości utrzymania

Kleje na bazie epoksydu po utwardzeniu mogą mieć wytrzymałość na ścinanie przekraczającą 20 MPa. Podczas próby wymontowania podzespołów w celu naprawy lub wymiany:

W przypadku komponentów w obudowie QFP (Quad Flat Package) o minimalnym odstępie wyprowadzeń wynoszącym 0,4 mm siła niezbędna do wyjęcia komponentu może spowodować odkształcenie wyprowadzeń.

W przypadku obudów BGA, pola lutownicze, które mają średnicę zaledwie 0,25 mm, są narażone na zerwanie.

Delikatne czujniki, takie jak żyroskopy MEMS, mogą łatwo ulec uszkodzeniu podczas demontażu.

5. Problemy ze zgodnością materiałów

Niektóre kleje z utwardzaczami kwasowymi, np. aminy, mogą powodować korozję folii katodowej aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, której grubość jest mniejsza niż 10 μm. Korozja może doprowadzić do uszkodzenia kondensatora, co ma wpływ na filtrowanie zasilania i stabilność obwodu.

Kleje utwardzane promieniami UV mogą żółknąć pod wpływem długotrwałego wystawienia na działanie promieni ultrafioletowych. Tego typu odbarwienia mogą zakłócać pracę urządzeń optoelektronicznych, np. modułów światłowodowych, ponieważ mogą pochłaniać lub rozpraszać sygnały świetlne.

Profesjonalne alternatywy

Zaleca się stosowanie powłok ochronnych zgodnych z normą IPC-CC-830B, np. Parylene C. Parylen C o grubości 1 - 5μm oferuje:

Wysoka wytrzymałość dielektryczna, ponad 400V/μm, gwarantuje doskonałą izolację elektryczną.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) zbliżony do współczynnika CTE powszechnie stosowanych materiałów PCB (około 30 ppm/℃), co minimalizuje naprężenia cieplne.

Bardzo niski współczynnik przepuszczalności wilgoci, mniejszy niż 0,1 g/m²·dzień, chroniący komponenty przed degradacją spowodowaną wilgocią.

Urządzenie uzyskało również certyfikat UL746E, co potwierdza jego niezawodność i bezpieczeństwo.

W szczególnych przypadkach można rozważyć technologie nanopowłok, takie jak powłoki na bazie siloksanu. Powłoki te mają kąt zwilżania ponad 110°, co zapewnia doskonałą hydrofobowość. Mogą osiągnąć klasę wodoodporności IPX8, jednocześnie zapewniając przepuszczalność gazów, co ma kluczowe znaczenie w przypadku niektórych zastosowań.