Защитные покрытия для применения в военной электронике

Автор: Махлаков Сергей, msa@protehnology.ru

От электроники военного назначения всегда ожидают, что она будет работать без малейшей осечки сразу после ввода в эксплуатацию, при этом находясь в самых агрессивных условиях окружающей среды, известных человечеству. Военные разработки зачастую используются в течение целых десятилетий, а оборудование при этом может обновляться всего пару раз за весь срок эксплуатации техники.

Рисунок 1. Военный вертолёт.

Большая часть аэрокосмической электроники будет подвержена значительной вибрации, экстремальным колебаниям рабочей температуры (в зависимости от того, находится электроника в кабине или в необогреваемых местах), а также чистке химическими веществами, попаданию охлаждающих жидкостей и т. д. Коммерческие и военные аэрокосмические разработки, как правило, имеют многолетнюю продолжительность жизни, а оборудование при этом разрабатывается таким образом, чтобы его как можно реже приходилось менять или ремонтировать.

Уровни необходимой системной интеграции продолжают расти, создавая постоянно растущие требования к большой плотности установленных компонентов, меньшему весу и большей надежности. Устройства должны работать во всё более широком диапазоне условий, таких как более широкие температурные диапазоны, повышенная частота изменения температуры (термоциклирование и термоудары), выдерживать более высокие уровни вибраций а так же более длительное хранение в полевых условиях в пункте развертывания.

Защита электроники от этих агрессивных условий и окружающих сред подразделяется на два типа: первичная и вторичная. Разберёмся в них.

Первичная защита

Аэрокосмическая или военная электроника обычно размещается внутри корпуса или какой- либо коробки. Везде, где это возможно, коробка / корпус, в котором находится сборка, будет формировать первичную защиту устройства от воздействия окружающей среды. Это может быть герметичный корпус, который спроектирован так, чтобы быть полностью пыле и водостойким, обеспечивать защиту чувствительных узлов от потенциально опасных веществ и предотвращать повреждение оборудования.

Это легко в теории, но очень трудно осуществить это на практике, особенно когда изделие должно иметь вывод для подключения к другому устройству (зарядная батарея, устройство связи / программирования и т. д.), или требует охлаждения потоком воздуха. Поэтому очень распространено использование защитного покрытия для обеспечения вторичного уровня защиты электронного блока и для обеспечения дополнительной безопасности на случай, если корпус выйдет из строя, подвергнув тем самым устройство большому риску.

Защитное покрытие как вторичная защита

Учитывая, что защитное покрытие часто обеспечивает вторичную защиту, при выборе подходящего материала полезно учитывать основные угрозы, эффект которых необходимо нейтрализовать, и другие уникальные требования, связанные с продлением срока службы узлов. Учитывая, что корпус должен обеспечивать основные барьерные свойства, существуют четыре основных критерия для вторичной защиты: влажность / конденсация, высокая эксплуатационная температура, широкий диапазон эксплуатационных температур, предотвращение возникновения нитевидных кристаллов и простота ремонта.

Конденсация

Следует помнить, что герметичные блоки герметизируют потенциальные загрязняющие вещества как внутри, так и снаружи. Удалить все следы воды из корпуса полностью – трудно, и поэтому существует вероятность того, что внутри герметичного корпуса будет присутствовать влажность. Вполне возможно, что при изменении температуры и давления, сборка будет подвергаться воздействию конденсации влаги, так как поверхность печатной платы проходит через «точку росы».

Рисунок 2. Электроника в авиационной промышленности.

Максимальная эксплуатационная температура

Важно, чтобы защитный материал покрытия не терял твердости при прогнозируемой максимальной эксплуатационной температуре. Это может привести к смене агрегатного покрытия, из-за чего произойдёт появление открытых участков, а также к возможности улавливания твердых частиц, которые могут обеспечить токопроводящий путь, что приведет к неожиданным коротким замыканиям.

Температурный эксплуатационный диапазон

Также важна гарантия того, что покрытие выдерживает переходы между минимальной и максимальной рабочими температурами со скоростью, ожидаемой во время эксплуатации (термический шок), без растрескивания. Трещины в покрытии существенно снижают его защитные свойства.

Предотвращение возникновения нитевидных кристаллов

С постоянно увеличивающимся числом луженых компонентных выводов, до момента внедрения бессвинцовой пайки, и чрезвычайно длительными жизненными циклами военных и авиационных сборок, защитные покрытия широко используются в качестве эффективной стратегии против появления нитевидных кристаллов (оловянных усов). В результате многочисленных исследований было установлено, что большинство универсальных типов покрытий обеспечивают снижение риска возникновения коротких замыканий из-за нитевидных кристаллов. В целом, более твердые и жесткие покрытия, как правило, лучше работают в таком направлении, предполагая одинаковую степень покрытия свинцовой рамы.

Ремонт или модернизация

Во время процесса обновления или ремонта оборудования вполне вероятно, что компоненты будут заменены. Поэтому желательно чистое и быстрое удаление покрытия с требуемых участков, чтобы облегчить ремонт и модификацию, а так же необходимо, чтобы покрытие имело хорошую адгезию к себе, с целью обеспечить эффективное и постоянное уплотнение на отремонтированном участке. Проблем можно избежать, если полностью смыть покрытие перед повторным нанесением.

Выбор материала

Чтобы было удобнее учитывать все вышеперечисленные факторы для подбора подходящего защитного покрытия, структурируем эти пункты для каждого существующего типа защитного покрытия.

Тип материала Стойкость к влажности Стойкость к конденсации Диапазон рабочих температур (°C) Предотвращение возникновения нитевидных кристаллов Простота ремонта
Акрил Отличная Хорошая От -65 до + 125 Хорошее Очень просто
Уретан Хорошая Низкая От -65 до + 125 Очень хорошее Сложно
Силикон Низкая Отличная От -70 до +200 Хорошее Сложно
Эпоксидная смола Низкая Низкая От -40 до + 125 Очень хорошее Сложно
Парилен Отличная Отличная От -65 до +200 Отличное Очень сложно

Таблица 1. Сравнение стойкости покрытий различных типов к разным угрозам.

Акриловые материалы

Акриловые материалы обычно обеспечивают хороший баланс всех свойств, необходимых для вторичной защиты устройства. Главное преимущество акриловых материалов заключается в простоте ремонта и переработке, так как все покрытие легко снимается путем замачивания в мягких растворителях.

Уретановые и эпоксидные материалы

Материалы на основе уретана и эпоксидной смолы, как правило, менее эффективны в качестве барьеров, за исключением нитевидных кристаллов, из-за их большой твердости; также эти материалы более склонны к растрескиванию при термических экскурсиях и обычно требуют более агрессивной химии для их удаления в целях переделки. Материалы на основе модифицированного масла, или алкидная химия может привести к выделению различных химических соединений на протяжении всего срока службы, особенно при повышенных температурах, что делает эти материалы плохо пригодными для этих применений.

Силиконовые материалы

За исключением паров влаги, силиконовые материалы в целом обеспечивают хорошие барьерные свойства и широкий диапазон эксплуатационных температур. Силиконовые материалы часто бывает трудно удалить перед переработкой, хотя механическое воздействие может быть эффективным. Вулканизация силиконовых материалов при комнатной температуре (ВКТ) может привести к выделению различных побочных продуктов (некоторые из них могут быть едкими), поэтому необходимо, чтобы материал был полностью затвердевшим перед герметизацией в блоке.

Рисунок 3. Акриловое защитное покрытие AFA.

Парилен

Париленовые лакокрасочные материалы обладают выдающимися защитными свойствами и максимально возможным покрытием, благодаря тому, что они осаждаются паром в вакууме. Основными недостатками парилена являются специализированные камеры для осаждения, необходимые для нанесения, а также тот факт, что покрытие изделия должно быть стопроцентно совершенным. Париленовые материалы сложно проверить и переработать. У парилена плохая межслойная адгезия и он обычно покрывается другими типами материалов после переработки.

Заключение

Защитные покрытия часто используют для усиления защиты от окружающей среды, предоставляемой печатным платам корпусами или самим функциональным блоком. Хотя правильного выбора и не существует, факторы, имеющие наибольшее значение для надежности работы печатной платы и угрозы, воздействующие на эти факторы должны лежать в основе рационального выбора. Конечно, если корпус выходит из строя, а защитное покрытие становится основным механическим барьером, это уже совсем другая история.