REVESTIMENTOS PARA ELETRÔNICA COM CURA RÁPIDA
Kent Larson, Senior Engineer
Dow Corning Corporation
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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 125 micra com fornos ou estufas comuns; sendo que as velocidades de cura ótimas são obtidas a 60ºC com
10 a 15% 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 (<200 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 30 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
100ºC por 10 a 20 minutos. Temperaturas mais altas irão reduzir o tempo de residência no forno, mas existe um balanço
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 100ºC e 115ºC. 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 30 a
60 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
60ºC (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 25, 125 e 250 micra. Estas
placas revestidas foram imediatamente colocadas em câmaras de teste controladas com temperaturas de 25ºC, 40ºC e 60ºC
e com umidades relativas de 15%, 45% e 75%. 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 30 minutos em umidade
relativa de 50%. 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 50% obteve-se um efeito surpreendente – a velocidade de cura foi reduzida
substancialmente. Em umidade relativa de 75% 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.
Time, minutes
Conform al Coating Cure-to-Touch at 25C
60
25 Microns
250 Microns
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
% Relative Hum idity
70
80
Figura 1. Efeito da Umidade Relativa no tempo de cura do Conformal Coating a 25°C.
Conform al Coating Cure-to-Touch at 60C
Time, minutes
5
25 Microns
4
250 Microns
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
% Relative Hum idity
Figura 2. . Efeito da Umidade Relativa no tempo de cura do Conformal Coating a 60°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
10% até 40% e as placas estavam livres de pegajosidade em tempos de 12 minutos, mesmo para a placa com espessura de
coating de 250 micra. A 60ºC os resultados foram ainda mais impressionantes: velocidade de cura ótima foi encontrada em
umidades relativas entre 10% e 20% e as espessuras mais finas podiam ser manuseadas em cerca de meio minuto, enquanto
que até mesmo o coating com espessura de 250 micra precisou de somente 1,5 minuto.
Coincidentemente, esta faixa ótima de umidade relativa é exatamente o que a maioria dos usuários encontra tomando ar
ambiente e aquecendo-o a 60ºC – não é necessário adicionar ou retirar umidade para obter tempos de cura ótimos em um
forno a 60ºC.
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.
Conform al Coating Cure-to-Touch at
Standard Oven Conditions
Time, minutes
25
Assuming convection oven with inlet
air at 50% R.H. at 25C
20
15
25 Microns
10
250 Microns
5
0
25
30
35
40
45
50
Tem perature, C
55
60
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. 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.
Time, minutes
As figuras 4 e 5 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
25C
80
25 Microns
60
250 Microns
40
20
0
0
20
40
60
% Relative Humidity
80
Figura 4. Efeito da Umidade Relativa no Tempo de Cura do Conformal Coating para Obter Adesão Total em 25°C.
Conformal Coating Cure to Full Adhesion at
60C
Time, minutes
15
25 Microns
250 Microns
10
5
0
0
20
40
60
80
% Relative Humidty
Figura 5. Efeito da Umidade Relativa no Tempo de Cura do Conformal Coating para Obter Adesão Total em 60°C.
Adesão total foi obtida para um coating com espessura de 25 micra em aproximadamente 2 minutos @ 60°C e umidade
relativa em torno de 10% a 15%. 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 60°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.
5. 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 20-25 minutos para aproximadamente um
minuto ou menos quando as placas com coating foram expostas à temperatura de 60°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.