REVESTIMENTOS PARA ELETRÔNICA COM CURA RÁPIDA Kent Larson, Senior Engineer Dow Corning Corporation Resumo

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1 REVESTIMENTOS PARA ELETRÔNICA COM CURA RÁPIDA Kent Larson, Senior Engineer Dow Corning Corporation Resumo Conformal coatings são comumente usados para proteger uma variedade de placas eletrônicas de circuito impresso de fatores ambientais, especialmente de sujeira e água. Conformal coatings curados por umidade em temperatura ambiente geralmente são os escolhidos para eletrônica usada em ambientes agressivos, como, por exemplo, módulos localizados no compartimento do motor. Entretanto, como estes materiais necessitam de longos tempos de cura (precisam ser expostos à umidade do ar para curar), eles não tem sido muito utilizados em linhas de produção velozes e com altos volumes. Novos desenvolvimentos de procedimentos de cura permitem aos fabricantes reduzir dramaticamente estes tempos de cura em alguns casos para menos de um minuto. Estes novos procedimentos permitem a cura completa destes coatings em espessuras de 12 micra com fornos ou estufas comuns; sendo que as velocidades de cura ótimas são obtidas a 6ºC com 1 a 1% de umidade relativa e fluxos de ar moderados a altos. As implicações destas melhorias nos tempos de cura são de grande alcance. Estes novos procedimentos irão não somente aumentar a capacidade de produção e a produtividade de fabricantes de eletrônica, mas também transformar conformal coatings em uma opção com excelente custo-benefício para proteção de eletrônica em linhas de produção de alto volume. 1. Introdução Muitos PCBs que são usados em eletrônica e precisam suportar ambientes exigentes e agressivos (com exposições a flutuações de temperatura, vibrações, alta umidade, salinidade, poeira, etc.). Nestes casos são usualmente protegidos pela aplicação de um fino revestimento (<2 micra) que se conforma sobre toda a placa enquanto endurece ou cura. Este revestimento ou conformal coating veda a placa e seus componentes, formando uma barreira resistente aos fatores ambientais que poderiam provocar corrosão ou outros danos. Existem muitos tipos de revestimentos protetivos, incluindo acrílicos, uretanos, parilenos, silicones e outros. Cada um tem um conjunto único de características de aplicação, de desempenho e econômicas, que precisa ser levado em consideração para se fazer a melhor escolha entre os revestimentos. Maximizar a capacidade de produção enquanto se minimiza os custos operacionais da linha pode ter grande influência neste processo de escolha. Aplicações que necessitam de proteção, com frequencia se utilizam das vantagens oferecidas pelos silicones. Equipamentos de aplicação podem variar desde simples pistolas de pintura até os mais sofisticados sistemas de spray seletivo. Qualquer que seja o modo de aplicação do revestimento, há a necessidade de que o processo de cura ocorra logo depois para que as placas revestidas possam ser manuseadas sem a preocupação de danificar o coating. Conformal coatings de Silicone são formulados com três tipos principais de mecanismos de cura, cada qual com suas vantagens e particularidades. 2. Tipos de Coatings de Silicone Coatings curados por Ultravioleta (UV) geralmente podem alcançar cura total em menos de 3 segundos quando expostos a uma potente fonte de luz UV. Este é um forte apelo para linhas de produção de alta velocidade, porém pode ser um pouco enganoso, pois somente as áreas do coating que tem exposição em visada direta à luz UV irão curar neste curto tempo. Áreas de sombra embaixo de componentes grandes irão permanecer líquidas até que um processo secundário de cura possa propiciar a cura completa e o desenvolvimento da adesão (o que pode levar horas ou até mesmo dias). Além disto, estes materiais tem preços mais altos e frequentemente apresentam um odor desagradável. Silicones curados com calor precisam de um forno para aquecer as placas revestidas a temperaturas na faixa típica dos 1ºC por 1 a 2 minutos. Temperaturas mais altas irão reduzir o tempo de residência no forno, mas existe um balanço

2 entre o tempo necessário para elevar as peças até a temperatura de cura e o tempo efetivamente necessário para o processo de cura em si. O ponto ótimo para este balanço costuma ficar entre 1ºC e 11ºC. Assim, estes silicones tem uma cura relativamente rápida e são menos custosos que os de cura UV. Entretanto, eles costumam ter prazo de validade (shelf-life) curto e são muito sensíveis a certos contaminantes que podem inibir a cura. Os conformal coatings de silicone mais comumente usados são os monocomponentes RTV (cura a temperatura ambiente) curados por umidade. Estes produtos de consistência líquida são os mais simples de aplicar uma vez que não precisam de equipamentos especiais para mistura ou para o processo de cura. Normalmente são os materiais de menor custo e tem o processo de cura mais robusto e menos suscetível a erros. Quando estes materiais são expostos à umidade do ar eles começam a curar. A maioria dos usuários deste tipo de material precisa deixar as placas revestidas expostas ao ar por 3 a 6 minutos para alcançar uma cura suficiente para permitir posterior manuseio. 3. Reduzindo Tempo de Cura para Revestimento RTV Com frequencia a indústria eletrônica está procurando reduzir tempos de processamento. Para fazê-lo uma opção é reduzir o tempo de cura dos conformal coatings. Uma maneira comprovada para conseguir isto é usando calor moderado de até 6ºC (temperaturas maiores vão causar bolhas), porém a umidade relativa em fornos de convecção comuns fica bem baixa. Como estes produtos precisam da umidade do ar para promover a reação de cura, a baixa umidade não era considerada apropriada e a prática normal era instalar custosos fornos com controle de umidade. Assim, os usuários que desejavam a praticidade e economia dos coatings de silicone RTV tinham que ter em sua linha um grande pulmão para acomodar os longos tempos de cura ao ar - ou investir pesado para instalação e manutenção de fornos com controle de umidade. Testes recentes conduzidos por Engenheiros de Aplicação com conformal coatings RTV de cura rápida por umidade, mostraram velocidades de cura extraordinárias em fornos de convecção normais sem nenhuma adição de umidade. Nestes testes, o conformal coating foi aplicado por spray sobre placas nuas em espessuras de 2, 12 e 2 micra. Estas placas revestidas foram imediatamente colocadas em câmaras de teste controladas com temperaturas de 2ºC, 4ºC e 6ºC e com umidades relativas de 1%, 4% e 7%. A cura foi monitorada medindo-se o tempo para o coating ficar livre de pegajosidade (tack-free time) e medindo-se o tempo para desenvolvimento da adesão. Os tempos de cura foram os esperados para as condições ambientes: o coating de cura rápida usado no teste ficou livre de pegajosidade entre 16 e 24 minutos para as três espessuras e alcançou adesão completa entre 22 e 3 minutos em umidade relativa de %. Apesar de isto ser uma boa melhora em relação aos coatings de silicone RTV normais, estes tempos de cura para linhas de alta produção ainda podem representar um quantidade alta de peças em pulmão aguardando a finalização da cura. Aumentando-se a umidade relativa acima de % obteve-se um efeito surpreendente a velocidade de cura foi reduzida substancialmente. Em umidade relativa de 7% e temperatura ambiente, o coating levou até uma hora para curar completamente. Em temperaturas mais altas, o tempo de cura reduziu acentuadamente, mas resultados preliminares indicaram que uma faixa ótima para a cura seria encontrada não em umidades mais altas, mas sim em níveis bem mais baixos de umidade relativa. Conformal Coating Cure-to-Touch at 2C Figura 1. Efeito da Umidade Relativa no tempo de cura do Conformal Coating a 2 C.

3 Conformal Coating Cure-to-Touch at 6C Figura 2.. Efeito da Umidade Relativa no tempo de cura do Conformal Coating a 6 C. Em temperaturas mais elevadas uma faixa ótima mais estreita de níveis de umidade relativa alcançou tempos de cura extremamente rápidos. Em temperatura ambiente, velocidades de cura otimizadas foram encontradas em uma faixa de umidades relativas desde 1% até 4% e as placas estavam livres de pegajosidade em tempos de 12 minutos, mesmo para a placa com espessura de coating de 2 micra. A 6ºC os resultados foram ainda mais impressionantes: velocidade de cura ótima foi encontrada em umidades relativas entre 1% e 2% e as espessuras mais finas podiam ser manuseadas em cerca de meio minuto, enquanto que até mesmo o coating com espessura de 2 micra precisou de somente 1, minuto. Coincidentemente, esta faixa ótima de umidade relativa é exatamente o que a maioria dos usuários encontra tomando ar ambiente e aquecendo-o a 6ºC não é necessário adicionar ou retirar umidade para obter tempos de cura ótimos em um forno a 6ºC. Esta condição ótima de calor moderado e baixa umidade relativa criam uma condição onde a cura é muito rápida. Isto acontece devido a um equilíbrio químico complexo que ocorre entre os vários componentes da formulação e somente se aplica a espessuras de coating relativamente finas. Estes coatings de silicone de cura por umidade são formulados para garantir um equilíbrio entre cura superficial rápida e ao mesmo tempo não comprometer as propriedades da cura no interior da camada. Como eles são aplicados em camadas bastante finas, a cura de toda a camada é essencialmente uma cura superficial e, portanto, tanto suas formulações como seus perfis de cura podem ser ajustados para tirar o máximo de vantagem destas características superficiais de cura Conformal Coating Cure-to-Touch at Standard Oven Conditions Assuming convection oven with inlet air at % R.H. at 2C Temperature, C Figura 3. Cura de Conformal Coatings sem controle de umidade relativa O tempo de cura cai rapidamente quando o coating é aquecido sem adição de umidade.

4 4. Cura Superficial versus Adesão Na maioria das linhas de manufatura eletrônica, a velocidade de produção é um fator chave. Com conformal coatings de silicone curados por umidade, não é necessário aguardar a cura total do material para que as placas possam passar para os estágios seguintes da produção o processo de cura continuará com as peças em movimentação. Em geral, basta obter uma condição de tack-free superficial (superfície livre de pegajosidade) que possibilite o manuseio das placas. A discussão e os gráficos previamente apresentados ilustram o tempo de cura necessário para garantir que a superfície do conformal coating esteja livre de pegajosidade. A cura destes produtos ocorre inicialmente na superfície e depois segue de fora para dentro até chegar à interface com a placa. Sendo assim, quando o conformal coating é aplicado em uma camada relativamente espessa, é possível que em determinado momento a superfície externa esteja praticamente curada enquanto que o material em contato com a placa ainda esteja líquido e não curado. Na prática, não é comum a aplicação de conformal coatings tão espessos de forma a obter este tipo de ocorrência. Entretanto, é comum obter um coating que aparentemente está totalmente curado, porém que ainda não desenvolveu total adesão sobre a placa. Os conformal coatings de silicone têm em geral dois mecanismos de adesão distintos: Mecânica e Química. Adesão Mecânica é uma interação física que depende da rugosidade da superfície, da molhabilidade (wetting) do coating e da penetração. A limpeza das superfícies é muito importante para adesão, pois estas devem estar relativamente livres de contaminantes. Já a Adesão Química é obtida através de uma reação química entre o coating e o substrato. Assim a adesão se desenvolve somente na interface uma região bem delimitada - entre a superfície da placa e as camadas moleculares inferiores do conformal coating. Já que esta é a última área a ter contato com a umidade do ar, é também a última a atingir a cura total e a adesão só se desenvolve nesta fase. Sendo assim, um teste de adesão normalmente pode ser utilizado para identificar o tempo necessário para o coating atingir a cura total de toda a sua espessura. As figuras 4 e demonstram o tempo necessário para obter adesão total (teste de peel strength) para os mesmos substratos e sob as mesmas condições utilizadas nos testes descritos anteriormente. Pode-se notar que são necessários tempos de cura maiores para obtenção de adesão total, embora estes tempos possam também ser consideravelmente reduzidos com a utilização de calor moderado. Conformal Coating Cure to Full Adhesion at 2C Figura 4. Efeito da Umidade Relativa no Tempo de Cura do Conformal Coating para Obter Adesão Total em 2 C.

5 Conformal Coating Cure to Full Adhesion at 6C % Relative Humidty Figura. Efeito da Umidade Relativa no Tempo de Cura do Conformal Coating para Obter Adesão Total em 6 C. Adesão total foi obtida para um coating com espessura de 2 micra em aproximadamente 2 6 C e umidade relativa em torno de 1% a 1%. Da mesma forma que no teste de tack-free time, o tempo necessário para obtenção de adesão total aumentou com a elevação da umidade relativa e com a diminuição da temperatura de cura. Enquanto algumas linhas de produção podem requerer cura e adesão totais antes de movimentarem as placas para os próximos estágios da produção, muitos processos somente requerem que as placas possam ser manuseadas para que sigam adiante na produção. Isto significa que basta que o coating esteja com a superfície livre de pegajosidade, sem necessidade de desenvolver adesão total. Conformal Coatings de silicone curados por umidade podem chegar rapidamente a cura superficial em um forno com temperatura moderada (em torno de 6 C) e então seguirem para os próximos processos da linha de produção, enquanto a adesão ainda está se desenvolvendo. Dessa forma o tempo de processo pode ser significativamente reduzido, aumentando a produtividade.. Conclusão Testes sob condições controladas de temperatura, umidade e espessura para um Conformal Coating de Silicone de cura rápida por umidade, concluíram que os tempos de cura podem ser reduzidos de 2-2 minutos para aproximadamente um minuto ou menos quando as placas com coating foram expostas à temperatura de 6 C sem umidade adicional. Este ganho de velocidade de cura pode reduzir substancialmente o tempo de processo e aumentar a produtividade, diminuindo assim custos de manufatura, os quais são críticos para a competitividade da indústria eletrônica.