Il rivestimento delle schede elettroniche mediante particolari resine protettive è un processo collaudato che originariamente è nato per salvaguardare quei dispositivi che andavano installati in ambienti marini, oppure erano destinati ad applicazioni militari e aerospaziali; ambienti caratterizzati da condizioni operative particolarmente difficili. I positivi riscontri derivanti dall'applicazione di queste resine protettive, ne hanno esteso l'utilizzo a molti altri settori come l'automotive, il ferroviario, l'elettromedicale, oltre che ad alcune comparti applicazioni industriali.
Il conformal coating, o tropicalizzazione, ha un campo d'azione molto ampio, protegge i dispositivi elettronici dalla presenza di solventi, costituisce una valida barriera protettiva contro l'umidità, le polveri o altri contaminanti potenzialmente dannosi per il corretto funzionamento e la conservazione del circuito assemblato nel tempo. Migliorando l'isolamento elettrico, il coating previene la crescita di dendriti e la formazione di ossidi sui pcb. La crescita dei dendriti può portare alla formazione di corti che ovviamente potrebbero pregiudicare il corretto funzionamento della scheda, così come l'innesco di processi corrosivi. In alcune applicazioni il conformal coating assume funzione di protezione meccanica nei confronti dei cicli termici e contro shock e vibrazioni.
Il processo consiste nel rivestire il pcb assemblato con un film di resina che, sottoposta a un'appropriata temperatura, cristallizza e forma un corpo unico con il substrato e i componenti saldati, isolandoli completamente dal mondo esterno.
Le resine utilizzate per i rivestimenti sono a base acrilica, siliconica, epossidica e poliuretanica.
La scelta del materiale da utilizzare è in funzione dell'ambiente in cui lavorerà la scheda e dei fattori ostili contro cui si la si vuole proteggere.
È consigliabile lavare le schede prima di passare al processo di coating, perché alcuni flussanti, benché di tipo no-clean, lasciano dei residui che, peggiorando l'adesione, causano nel tempo il distacco del rivestimento protettivo. La pulizia della superficie della scheda influenza anche la sua tensione superficiale, che a sua volta influisce sulla bagnabilità del pcb da parte della resina.
Nel settore elettronico vengono impiegate varie tecniche di applicazione del conformal coating e, come in altri processi industriali, ci sono state diverse evoluzioni che hanno portato dall'uso manuale all'impiego di mezzi completamente automatici.
Un metodo comunemente utilizzato è quello di spruzzare manualmente sulla scheda il film coprente mediante apposite bombolette, più frequentemente si ricorre alla classica pistola a spruzzo. Il metodo, piuttosto empirico, richiede la mascheratura delle parti che non devono entrare in contatto col materiale di coating (come ad esempio i connettori). Essendo ampio il cono di spruzzo, parecchio materiale è disperso nei dintorni della scheda, lo spessore depositato non è uniforme ed è fortemente dipendente dalla sensibilità dell'operatore. Ovviamente il processo ha un indice di ripetibilità modesto, mentre decisamente più alto è il rischio di inalazione da parte dell'operatore.
Qual è la migliore soluzione?
La soluzione peggiore che si possa adottare è quella di stendere il materiale mediante pennello. È vero che si riducono al minimo i costi, ma è altrettanto vero che la produttività è bassa, non c'è controllo sullo spessore depositato e neppure sulla superficie effettivamente ricoperta. Oltretutto si corre anche il rischio che setole del pennello si stacchino e vengano inglobate nel deposito.
Uno dei metodi più vecchi e meglio conosciuti è il processo di coating per immersione. Nella versione manuale l'operatore immerge il pcb da trattare nel serbatoio contenente il liquido. I componenti presenti sulla scheda, che non devono essere portati a contatto con il materiale ricoprente, vengono mascherati prima dell'immersione. La mascheratura è rimossa a polimerizzazione avvenuta; ogni prodotto ha sue specifiche esigenze e, di conseguenza, la polimerizzazione può avvenire a temperatura ambiente o in forno e - se il materiale impiegato lo richiede - anche mediante esposizione a radiazione ultravioletta.
L'operazione di mascheratura è manuale, richiede l'utilizzo di materiale di consumo che a fine ciclo deve essere smaltito come rifiuto speciale, essendo questo contaminato dalla resina.
L'operazione di immersione può essere eseguita anche automaticamente, con un sistema in linea che trasporta dentro e fuori dal bagno la scheda da trattare. Rimane identico il problema della mascheratura, anche se l'automazione migliora la produttività e in parte la ripetibilità. L'impiego di questo metodo comporta altre controindicazioni quali lo spessore del rivestimento non controllato, la contaminazione del bagno e la sua variazione di viscosità, la pulizia dei sistemi coinvolti nel processo e l'esposizione dell'ambiente di lavoro alla presenza di sostanze chimiche volatili. Il processo mantiene le sue caratteristiche di semplicità e richiede costi contenuti.
I sistemi di coating selettivo mediante fixture permettono di eliminare la mascheratura manuale. Utilizzano un'unica maschera meccanica che permette l'accesso della resina solo alle zone da coprire. Questi sistemi sono disponibili sia in linea sia in configurazione batch. La resa è elevata come pure la ripetibilità del processo, sicuro per la salute umana e non dipendente dall'operatore e hanno come controindicazione la necessità di dover produrre una fixture per ogni differente tipo di scheda.
L'adozione dei sistemi di dispensazione robotizzati, ha migliorato notevolmente questa importante fase di lavorazione, permettendo il deposito selettivo e nella sola quantità desiderata della resina, facendone un processo controllato, ripetitivo e svincolato dalle capacità dell'operatore.
L'automazione del processo
Nei sistemi robotizzati, a tre o più assi, la deposizione della resina avviene mediate una valvola. Il sistema può essere del tipo a carico e scarico manuale del pcb o essere provvisto del sistema di trasporto automatico della scheda. Le caratteristiche del materiale da depositare e la valvola di dispensazione, congiuntamente alla velocità di lavoro del robot, concorrono nel determinare lo spessore del rivestimento.
Questa tecnologia consente il più delle volte di depositare il rivestimento solo là dove è richiesto, senza ricorrere all'operazione di mascheratura, e quindi si può benissimo parlare in questo caso di processo di conformal coating selettivo.
I vantaggi consistono nell'applicare dosi uniformi e ottenere spessori controllati e costanti lungo lo sviluppo della scheda, con notevole risparmio di materiale, nella possibilità di lavorare in celle isolate dall'ambiente circostante e nell'aumento di produttività.
Tecnicamente una linea completa di lavoro comprende un sistema di movimentazione, o handling, una cella di dispensazione e un forno per la polimerizzazione, o curing, del materiale depositato.
L'handling serve solo nel caso in cui si adotti una linea automatica, particolarmente indicata nel caso si debbano rivestire entrambe le superfici delle schede. In questo caso deve fare parte della linea anche un modulo ribaltatore che permette di capovolgere la scheda per rivestire anche la seconda faccia.
La cella è composta dal robot e dal sistema di dispensazione. A sua volta il sistema di dispensazione è composto dai condotti per l'aria e per la resina, dalla valvola e dal relativo controller, dal serbatoio contenente la resina e dal sistema di aspirazione. Nella configurazione ad assi cartesiani, a portale o scara, il robot ha l'esclusivo compito di movimentare la testa per portare la valvola dove è richiesta la deposizione. Il modulo di curing dipende dal tipo di resina utilizzato e dai livelli produttivi. Può essere un forno in linea o un forno statico. L'apporto dell'energia necessaria alla polimerizzazione può avvenire mediante raggi ultravioletti o mediante trasferimento di temperatura, in questo caso si utilizzano pannelli o lampade a raggi infrarossi o la convezione d'aria calda.
Le resine hanno una naturale tendenza all'indurimento che con tempi variabili da prodotto a prodotto le porta a seccare. Sebbene la loro rimozione dalle attrezzature avvenga con l'utilizzo di solventi, non sempre si riesce a rimuovere totalmente le incrostazioni. Il problema è particolarmente oneroso quando si presenta sulle valvole. Un occlusione anche parziale non rilevata porta il processo in deriva. Durante le fasi di lavoro il problema si previene pulendo l'ago o l'ugello di uscita nei suoi momenti di inattività. Allo scopo si utilizzano piccole spazzole o si immerge la punta in un recipiente contenete del diluente posto in corrispondenza del punto di riposo della testa, e gli si accede movimentando l'asse z. Al temine del turno di lavoro un'accurata pulizia è l'unica manutenzione per mantenere l'efficienza del sistema.
Le influenze sul processo
Le principali variabili che condizionano la deposizione di resine sono le caratteristiche del fluido e il tipo di valvola utilizzato. Di particolare è la viscosità del fluido, a sua volta funzione (oltre che della composizione chimica) dalla temperatura in cui si svolge il processo. Quando la temperatura ambiente sale, diminuisce la viscosità e di contro tende ad aumentare il flusso in uscita dalla valvola. Il getto in uscita, che determina lo strato depositato, a parità di temperatura e viscosità, dipende dalla pressione dell'aria applicata; i regolatori hanno una tolleranza che normalmente non influisce in modo apprezzabile sul risultato finale, ma è importante è che l'aria utilizzata sia secca e pulita. La velocità di spostamento degli assi contribuisce a definire la quantità depositata per unità di superficie. La conoscenza del sistema e delle caratteristiche del prodotto utilizzato permettono di quantificare la bagnabilità in fase di programmazione.
La viscosità dei materiali presenti sul mercato è molto ampia; per quelle resine che richiedono l'aggiunta di solvente, la viscosità andrebbe controllata a ogni ricarica del serbatoio, per mantenere nel tempo la corretta consistenza.
Come in tutti i processi è importante stabilire quali sono i suoi limiti di accettabilità. In funzione del prodotto e della sua applicazione ci sarà un valore di spessore desiderato; a questo valore ne corrisponderanno altri due che riguardano lo spessore minimo accettabile e quello massimo. Ricorrendo a una carta di controllo verrà utilizzato lo spessore teorico come target di riferimento e gli spessori minimo e massimo rispettivamente come valore minimo e valore massimo ammissibili (limiti di controllo). I valori di spessore riscontrati ispezionando le schede prodotte dovranno cadere all'interno della fascia delimitata dai limiti di controllo, tanto più i valori si avvicineranno al target e tanto più sarà alto l'indice qualitativo del processo. Il processo esce fuori controllo nel momento in cui i valori di spessore misurati travalicano gli estremi. Nel caso in cui tendano tutti a spostarsi oltre uno dei due limiti, si dice che il processo è in deriva, intendendo con ciò che è intervenuta una perturbazione che tende a far depositare uno spessore di coating troppo sottile o troppo spesso.
L'utilizzo dei sistemi in linea contribuisce, oltre che ad aumentare la produttività, a tenere basso il tasso di difettosità imputabile al maneggiamento: contaminazione delle schede con le mani sporche, caduta delle schede, disturbo del rivestimento non ancora cristallizzato. Molte schede richiedono il rivestimento su ambo i lati, e qui l'automazione gioca un ruolo fondamentale nell'evitare ogni danno.
Atomizzazione o flusso laminare?
La deposizione non atomizzata è usualmente eseguita per mezzo di valvole munite di aghi, che depongono strisce contigue di materiale, o per mezzo di nozze che depongono un velo di coprente tenuto in pressione nel serbatoio. Nella deposizione mediante atomizzazione la definizione dei bordi lascia a desiderare e per depositi consistenti necessita a volte una seconda passata, con parziale sovrapposizione dell'area relativa ai bordi. Lo spreco del materiale è stimato attorno al 20%.
L'esperienza dimostra che sono fondamentalmente quattro gli aspetti che concorrono al risultato finale per una uniforme deposizione del film:
• la generazione di un flusso laminare;
• la definizione dell'area di dispensazione;
• il controllo dello spessore del film;
• il controllo dell'effetto ombra a opera dei componenti più alti.
L'uscita con flusso laminare del materiale ricoprente è fondamentale per l'ottenimento di uno spessore costante e per una precisa delimitazione dell'area da coprire. Un'uscita pulsante o atomizzata produrrà delle turbolenze che a loro volta produrranno bordi ondulati e spessore irregolare.
L'effetto ombra è generato da ostacoli che hanno una dimensione maggiore rispetto alla media dei componenti presenti sulla scheda. La zona che si trova a valle dell'ostacolo, rispetto alla corsa della testa, risulterà meno bagnata dal fluido.
In realtà il getto non è perfettamente perpendicolare alla superficie della scheda perché la reale direzione risulta dalla combinazione vettoriale generata dalla corsa della testa con quello teorico di discesa del flusso. Essendo comunque quest'ultimo notevolmente superiore al primo, la discordanza della traiettoria del getto rispetto al teorico è minima.
Tenendo conto che il liquido depositato sul corpo del componente tenderà a scendere per gravità, la possibilità di avere zone realmente scoperte è limitata. Per i casi più complicati sono disponibili anche teste con la rotazione dell'ugello, così che la resina possa investire con l'appropriata angolazione l'obiettivo.
