Protecting Electronics

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1 Seite 1 Technology Week Protecting Electronics Conformal Coatings and Encapsulation Application & Processes, 2014, Jens Bürger Page 1

2 ALTANA At a Glance Sales 2012: 1,705 m Employees (a) : 5,363 Sales 2012: 618 m Employees (a) : 1,458 Sales 2012: 341 m Employees (a) : 1,901 Sales 2012: 413 m Employees (a) : 941 Sales 2012: 334 m Employees (a) : 985 Business Lines Paint Additives Plastics Additives Industrial Applications Measuring & Testing Instruments Business Lines Coatings Graphic Arts Cosmetics & Personal Care Plastics Industry Functional Applications Business Lines Primary Insulation Secondary Insulation Electronic & Engineering Materials Business Lines Converting Specialties Graphic Arts Page 2 (a) 31 Dec 2012

3 Organisation ELANTAS Electrical Insulation ELANTAS Electrical Insulation services the markets through three business lines Primary Insulation Metal wires made of copper or aluminum for primary insulation End use i.e. in electrical motors, generators or transformers Secondary Insulation Impregnating resins and varnishes Insulating/cooling fluids Secondary insulation of a wire wound windings for the implementation into i.e. electrical motors, generators Electronic & Engineering Materials Compounds, for electronic and electrical applications Full protection of electronic devices Page 3

4 Base Chemistry for Electronics Electrical Insulation by different Chemistry Urethan Polyester Silicon Electrical Insulation other Epoxid Acrylate Page 4

5 ELANTAS Beck -BL Electronic & Engineering Materials - applications Protection of electronic components in the areas of automotive, industry, medicine, aircraft Application by : Thin film coating Thick film coating 1 component potting 2 component potting Hot Melt Page 5

6 Electronic Protection by Application Thin Film Coating Spray Select Coat Dip/Select Dip Mainly Moisture Protection Lacquer / Varnish for PCB Thick Film Coating Dam & Fill Swirl Dip Chemical & Vibration Major PCB Protection Encapsulation / Potting Dispensing Vacuumpotting Chemical,Mechanical, Vibration Protection or Sealing Covering Page 6

7 Conformal Coating Comparison Guide PROPERTIES Alkyd Epoxy PUR Acrylic Silicone Protection against moisture Protection against solvents Protection against aggressive media Mechanical strength Temperature resistance Adhesion to unwashed PCB Temperature cycle range ( C) Volume resistivity Environmentally friendly Yes Yes Yes No No UL 94 V-0 Yes Yes (possible) Yes Yes Yes Page 7 Rating: 1=Excellent 2=Good 3=Fair 4=Poor. This comparison guide is designed to provide general

8 Thin Film: urethane-alkyd resin Alkyds are oxidative curing single-component varnishes, based on a urethane-alkyd resin. Better moisture resistance than acrylics Better chemical resistance than PU three viscosities available: 37 / 40 / 45 % solids colourless fluorescent Page 8

9 Thin Film: urethane-alkyd resin, safety Solvent : Safest possible: Non Toxic No threshold limit measurement Non aromatic (no toluene or xylene) High Flash Point: 30 C Areas for curing must be well ventilated Regulations: All grades comply with ROHS & REACH Page 9

10 Curing mechanism of urethane-alkyd resin During curing first the solvent evaporates (physical drying) In the second step the alkyd reacts with the oxygen from the air, which starts a polymerisation reaction (chemical cross linking) When the polymerisation reaction is finished the formed film has its final properties Page 10

11 Thin Film: acrylic vs. urethane-alkyd resin urethane-alkyd 37% solids urethane-alkyd 40% solids urethane-alkyd 45% solids Lost of 63% mass after curing Lost of 60% mass after curing Lost of 55% mass after curing Viscosity 40 s 4mm ISO cup (~50 mpas) Viscosity 65 s 4mm ISO cup (~80 mpas) Viscosity 40 s 6mm ISO cup (~270 mpas) Acryllics ~ 20% solids Lost of 80% mass after curing Viscosity 40 s 4mm ISO cup (~50 mpas) Page 11

12 Viscosity Viskosity vs. Temperatur of thinfilm varnish with a flow-cup 110 Flowtime [seconds] DIN 4 mm ISO 4 mm Tem perature [ C] Page 12

13 Thin Film Application Processes Automatic Processes Dipping and select flooding Needle Dispensing Select Spray Coater Select Film Coater Page 13

14 Page 14 Thin Film: Application: Select Coat

15 Thin Film: Application: Select Spray Page 15

16 Page 16 Thin Film: Application: Automatic dipping

17 Thin Film: Application: Standard Dipping Conditions Lower the board at 1-5 mm/sec (Faster speed if few components on the board) Hold for 15 seconds - air bubbles to escape Raise at 1-3 mm/sec until the board is above the liquid Tilt board at 45 - hold about 45 seconds to drain Page 17

18 Thin Film: Application: Standard Dipping General Thin Film cures quickly by air Open containers for minimum time & seal well Dipping tank must be sealed closed Dipping tank as small as possible to avoid waste Use up tank in 1-2 days Page 18

19 Thin Film Application: Processes Manual Processes Dipping Brushing Hand Spray Dispensing Page 19

20 Thin Film: Application: Hand Spray cheap and easy process Worker intensive Material intensive Very Low Viscosity Page 20

21 Thin Film: Application: Hand Spray Page 21 Safe hand spray working system

22 Electronic Protection by Application Thin Film Coating Spray Select Coat Dip/Select Dip Mainly Moisture Protection Lacquer / Varnish for PCB Thick Film Coating Dam & Fill Swirl Dip Chemical & Vibration Major PCB Protection Encapsulation / Potting Dispensing Vacuumpotting Chemical,Mechanical, Vibration Protection or Sealing Covering Page 22

23 Page 23 Thick Film Coating VOC-Free Systems

24 Thick Film Coating VOC-Free Systems VOC Free Systems Thermal UV + Moisture Moisture Hot melt Page 24

25 Thick Film: Cure Conditions seconds UVA 50 mw/cm² or 1-3 seconds UVA 3200 W/cm Days in shadow areas in ambient temperatures/moisture Curing is Accelerated by higher temperature and humidity Colour change from blue to green/yellow depending on UVA - irradiation Cross-linking degree >95% after 2 Weeks without UVA Page 25

26 Page 26 Thick Film: Application: Dam & Fill

27 Page 27 Thick Film: Application: Select Dispensing of PCB s

28 Page 28 Thick Film: Application: Swirl

29 Quality of conformal coating varnish application PCB cleaness Page 29

30 Coating Faulty Reasons of Faulties At assembling, soldering, washing, O In the resin itself of coating material During handling During coating During drying etc.. Page 30

31 Faulty different thicknes Page 31 Not same thicknes overall

32 Page 32 Faulty bubbles

33 Application; 30 C Acrylic X vs. Acrylic Y Page 33

34 Application; 70 C Acrylic X vs. Acrylic Y Page 34

35 Fault caused by recirculation and/or missing maintenance of coating-mashine Page 35

36 Faulty Cristilisation caused by dust Page 36 Brush hair

37 Faulty Angel hair due to thinner Page 37 Rough skin after oven

38 Low thickness of thin films at edges Page 38

39 Faulty Migration, visible by optical microscope Page 39

40 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page 40

41 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Der Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt - deswegen oft auch thermischer Ausdehnungskoeffizient genannt. Der hierfür verantwortliche Effekt hat einen großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit von Transformatoren und Modulen. Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der verwendeten Chemie (z.b. Silikone, Epoxy, PUR), der Glasübergangstemperatur und der Geometrie des Bauteils. Der Vortrag erörtert die wichtigsten Punkte, die vor dem Vergießen zu beachten sind um optimale Temperaturfestigkeit zu erzielen. Page 41

43 Modul-Verguss Anforderungen an den Verguss Schutz vor Vibration T: 100 Zyklen -20 C bis +100 C; Haltezeit: 6h schnelle Aushärtung bei RT Verarbeitung 2K Dispensmaschine Page 43

44 Page 44 Verguss Wechselrichter nach 100 Zyklen -20 C bis +100 C; Haltezeit: 6h

46 Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von mehreren Faktoren: dem Thermischen Ausdehnungkoeffizenten (CTE) der Glasübergangstemperatur (Tg) dem E-Modul Der Geometrie des Moduls Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit Page 46

47 6000 E-Modul vs. Ausdehnungskoeffizenten über die Temperatur Temperatur E-Modul CTE Page 47 Glas-Übergangstemperatur

48 Ideen und Marktanforderungen Der Kunde möchte oft ein elastisches Material, das bedeutet ein niedriges E-Modul. Weiter möchte er auch einen geringen Temperaturausdehnungs-koeffizienten (CTE). Elastisch bedeutet aber auch prinzipiell eine geringe Shore Härte. Geringer Temperaturausdehnungskoeffizient bedeutet aber auch prinzipiell eine hohe Shore Härte. elastisch; geringer CTE; Shore Härte Shore Härte Darüber hinaus existieren Marktanforderungen, die Glasübergangstemperatur außerhalb der Betriebstemperatur zu legen, hier also entweder Page 48 Tg < -20 oder Tg > +100 C. Das schränkt die Materialauswahl sehr ein und erhöht unnötig den Preis. Der Nachweis, das dies generell Probleme umgehen kann, ist nicht gegeben!

49 Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der Geometrie des Moduls Die geringe Elastizität von z.b. Metallgehäusen gegenüber Kunststoffgehäusen kann einen Bruch der Vergussmasse oder des Moduls eher provozieren. Auch Änderungen der Bauform von z.b. TSSOP (thin shrink small outline package) auf QFN (Quad Flat No-Lead). Das QFN-Package ist um ca. 60 % kleiner ist als von TSSOP. Wegen ihrer Kompaktheit eignen sich QFN-Gehäuse ideal für mobile Endgeräte. QFN-Packages sind SMD-Bauteile, die keine Anschluss-drähte haben, sondern Anschlusskontakte auf der Package- Unterseite mit denen sie unmittelbar auf der LP montiert werden. Deshalb ist keine Elastizität im Vergleich zum z.b. TSSOP mehr vorhanden. Page 49 A/D-Wandler QFN-Package TSSOP-Package

50 Die Temperaturwechselfestigkeit ist auch abhängig von Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit Um belastungsfähige Ergebnisse zu erreichen sind moderne Klimaprüfschränke zur Simulation der Klimabedingungen, exakte Klimatestzyklen und sichere Überwachung des Testablaufes notwendig. Die Möglichkeiten für die Erstellung von Programmzyklen, Speicherung und Anzeige, wie auch Auswertung des Testablaufs sind hier Voraussetzungen. Der Temperaturbereich sollte 40 C bis +140 C abdecken und Änderungsgeschwindigkeiten zwischen 2 bis 5 K/min zulassen. Es muss deutlich differenziert werden zwischen: Temperaturwechseltest (Wechselzeit 2 bis 5 K/min) Page 50 Temperaturschock (Wechselzeit < 30 Sekunden!)

51 Beispiel eines Temperature Shocks -30 C / +60 C 80,00 Filter module Camber temperature 60,00 40,00 Temperature[ C] 20, <Skab> (C) 0, ,00 Page 51-40,00 Time [minutes] Ein T von 90 C

52 Beispiel eines Temperature Shocks -30 C / +60 C Tatsächlich nur ein T von 45 C bzw. 25 C 45,00 Filter module K-thread cycler 40,00 35, <Driver 1> (C) 30,00 Temperature[ C] 25,00 20,00 15,00 10,00 5, <Driver 2> (C) 0, Page 52-5,00 Time [minutes]

53 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page Seite 53 Application ELANTAS Technical presentation Days Edition Oktober

54 Page 54 Beispiel mit dem Elan-tron MC622 Datenblatt

55 Page 55 Beispiel mit dem Elan-tron MC622 Datenblatt

56 Zyklen -20 C bis +100 C E-Modul: MPa CTE: E-Modul CTE CTE: E-Modul: ~ 500 MPa -40 C -20 C + 80 C C Page 56 Glas-Übergangstemperatur: 57 C 63 C

57 Vergussanlagen sollten eine Dosiergenauigkeit von 3% aufweisen Prinzip A Vorratsbehälter B Pumpen Mischer Page 57

58 Verarbeitungsfehler Ursachen und Quellen für fehlerhaftes Vergussbild Beim Bestücken, Löten oder Waschen Im Verguss Im Handling Während des Vergiessens Bei der Trocknung u.a. Page 58

59 Verarbeitungsfehler Ursachen im Harz und während des Handling z.b. Temperaturen (jede +10 C ½ Lagerzeit), zuviel Luftfeuchte, O Abhilfe: Lagerbedingungen bekannt? Page 59

60 Verarbeitungsfehler Ursachen während des Vergiessens z.b. Schwankende Temperaturen, Maschinenparameter, Kapillarkräfte Abhilfe: Vorwärmung z.b. 40 C Page 60

61 Vergussmassen Polymere Epoxidharze Polyole Silikone Füllstoffe Verstärkende Eigenschaften Verbesserung der Wärmeableitung Flammhemmende Wirkung (abhängig vom Füllstoff) Page 61 Additive Viskositätsreduzierung Entgasung Benetzung Verlaufseigenschaften Feuchteschutz Oberflächenglanz Einstellung der Reaktivität u.a.m.

62 Vergussfehler Sedimentation nach 50 C Page 62

63 Page 63 Gute Qualität des Elektronikschutzes wird Zufriedenheit erzeugen

64 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page Seite 64 Application ELANTAS Technical presentation Days Edition Oktober

65 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses 2 x Asymtec KC Stream Coater Page 65

66 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 66

67 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Salzspühnebel Page 67 Klima- und Temperaturschockkammer

68 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 68 UV - Trockner

69 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Klimate Testbedingungen Dauer Norm Lotpasten Langzeitlabor Feuchte Wärme, konstant T = 85 C // F rel. = 85%; IPC-SM-840C; Class T 85 C ± 2 C bei F rel = 85% ± 2% Dauer > 168h > 168h Ziel 1000h IPC-TM (Flux) diverses Feuchte Wärme, Zyklus T = C // F rel. = 95% IPC-CC-830B Klimaschranktemperatur + 25 C bis + 55 C bei ± 2 C rel. Feuchte von 93% +2-3% Verweildauer 9h bei 55 C; Anzahl der Zyklen (24h) = 9; Überführungsdauer 3h > 216h Ziel 1000h IEC GS VW Page 69 Temperatur-Schock IPC-CC-830B - 40 C bis C bei ± 2 C; Verweildauer 30/45 min; Anzahl der Zyklen = 100, 500; (3000); Überführungsdauer < 10 s > 127h Ziel 1000h IEC GS VW IPC-TM

70 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Klimate Testbedingungen Dauer Norm Lotpasten Langzeitlabor Feuchte Wärme, konstant T= 40 C // F rel. = 93% Klimaschranktemperatur 40 ± 2 C relativen Feuchte von 93% +2-3% > 504h Ziel 1000h IEC GS VW diverses Temperatur-Wechsel -40 C bis +120 C bei ± 2 C Anzahl der Zyklen = 35 kurzzeitig bis 135 C > 280h Ziel 1000h IEC GS VW Page 70 Temperatur konstant T1=variabel T2= -40 C T3= +125 C für Kälte = 96h für trockene Wärme = 1000h IEC (2) GS VW

71 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 71 1 x AMI (Espec) und 2 x Sefelec Zur Durchführung von SIR - Tests (Oberflächenisolationwiderstandstestgerät)