Protecting Electronics

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

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

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

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

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

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

Conformal Coating Comparison Guide PROPERTIES Alkyd Epoxy PUR Acrylic Silicone Protection against moisture 2 1 1 2 2 Protection against solvents 1 1 1 4 2 Protection against aggressive media 1 1 1 4 2 Mechanical strength 1 1 2 3 2 Temperature resistance 2 2 3 4 1 Adhesion to unwashed PCB 2 2 1 4 2 Temperature cycle range ( C) 2 2 2 3 1 Volume resistivity 1 1 1 1 1 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

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

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

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

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

Viscosity Viskosity vs. Temperatur of thinfilm varnish with a flow-cup 110 Flowtime [seconds] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 DIN 4 mm ISO 4 mm 10 17 22 27 32 37 Tem perature [ C] Page 12

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

Thin Film: Application: Select Coat

Thin Film: Application: Select Spray Page 15

Thin Film: Application: Automatic dipping

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

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

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

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

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

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

Thick Film Coating VOC-Free Systems

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

Thick Film: Cure Conditions 10 20 seconds UVA 50 mw/cm² or 1-3 seconds UVA 3200 W/cm 2 2-3 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

Thick Film: Application: Dam & Fill

Thick Film: Application: Select Dispensing of PCB s

Thick Film: Application: Swirl

Quality of conformal coating varnish application PCB cleaness Page 29

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

Faulty different thicknes Page 31 Not same thicknes overall

Faulty bubbles

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

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

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

Faulty Cristilisation caused by dust Page 36 Brush hair

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

Low thickness of thin films at edges Page 38

Faulty Migration, visible by optical microscope Page 39

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

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

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

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

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

6000 E-Modul vs. Ausdehnungskoeffizenten über die Temperatur Temperatur 5000 4000 3000 2000 E-Modul CTE 1000 0 Page 47 Glas-Übergangstemperatur

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!

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

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!)

Beispiel eines Temperature Shocks -30 C / +60 C 80,00 Filter module Camber temperature 60,00 40,00 Temperature[ C] 20,00 106 <Skab> (C) 0,00 10000 10020 10040 10060 10080 10100 10120 10140 10160 10180 10200-20,00 Page 51-40,00 Time [minutes] Ein T von 90 C

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 35,00 104 <Driver 1> (C) 30,00 Temperature[ C] 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 105 <Driver 2> (C) 0,00 10000 10020 10040 10060 10080 10100 10120 10140 10160 10180 10200 Page 52-5,00 Time [minutes]

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 14-02-13 2011

Beispiel mit dem Elan-tron MC622 Datenblatt

Zyklen -20 C bis +100 C 6000 5000 E-Modul: 9.000 MPa CTE: 90-110 4000 3000 2000 E-Modul CTE 1000 0 CTE: 30-35 E-Modul: ~ 500 MPa -40 C -20 C + 80 C + 120 C Page 56 Glas-Übergangstemperatur: 57 C 63 C

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

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

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

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

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.

Vergussfehler Sedimentation nach 24h @ 50 C Page 62

Gute Qualität des Elektronikschutzes wird Zufriedenheit erzeugen

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 14-02-13 2011

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

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

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

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

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-650 2.6.3.3 (Flux) diverses Feuchte Wärme, Zyklus T = 25-55 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 60068-2-30 GS 95003-4 VW 801 01 Page 69 Temperatur-Schock IPC-CC-830B - 40 C bis + 120 C bei ± 2 C; Verweildauer 30/45 min; Anzahl der Zyklen = 100, 500; (3000); Überführungsdauer < 10 s > 127h Ziel 1000h IEC 60068-2-14 GS 95003-4 VW 801 01 IPC-TM-650 2.6.7.1

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 60068-2-78 GS 95003-4 VW 801 01 diverses Temperatur-Wechsel -40 C bis +120 C bei ± 2 C Anzahl der Zyklen = 35 kurzzeitig bis 135 C > 280h Ziel 1000h IEC 60068-2-14 GS 95003-4 VW 801 01 Page 70 Temperatur konstant T1=variabel T2= -40 C T3= +125 C für Kälte = 96h für trockene Wärme = 1000h IEC 60068-2-1(2) GS 95003-4 VW 801 01

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)

Bectron Coating and Potting Automotivanwendungen der Electronic & Engineering Materials

Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Aufmerksamkeit. ELANTAS Technical Days Knowledge connects. Page 73