Що таке поверхнева енергія і як вона впливає на захисне покриття?

21.09.2023 |

У статті представлені прості вказівки щодо взаємозв’язку між значеннями поверхневої енергії твердих тіл (наприклад, друкована плата) і поверхневим натягом герметизуючих сумішей, що дозволяє уникнути занадто слабкого змочування покритих поверхонь.

Поверхнева енергія проти поверхневого натягу

Фізика поверхні є надзвичайно складною галуззю науки, тому ми лише спробуємо обговорити  та зрозуміти загальні положення. У випадку захисного покриття необхідно враховувати поверхневу енергію як самої друкованої плати, так і самого шару покриття. Як правило, термін поверхнева енергія використовується для твердих тіл, тоді як поверхневий натяг використовується для рідин або покриттів, отриманих у процесі нанесення захисного покриття.

Поверхнева енергія твердих тіл

Поверхневу енергію твердих тіл зазвичай виражають в динах на сантиметр або, найчастіше, скорочено в динах. Рівень поверхневої енергії твердого тіла визначається його хімічним складом і формою поверхні. У випадку з друкованою платою та захисного покриття поверхні, яку ми хочемо змочити і до якої ми хочемо «приклеїти», – це паяльна маска, а в деяких випадках – поверхня компонентів.

Нижче наведено значення поверхневої енергії, вираженої в динах, для деяких твердих тіл. Чим вище значення, тим легше лакувати матеріал без дефектів.

Матеріал Поверхнева енергія в динах
Алюміній 1000
Скло 300
Епоксидна смола (паяльна маска) 45
ПВХ 39
Поліетилен 31
PTFE 18

Поверхневий натяг рідини також виражається в динах. Усі незабруднені рідини мають чітко визначений і вимірюваний поверхневий натяг за певних умов. Вода, наприклад, має високий поверхневий натяг близько 73 дин, тоді як стандартний промисловий розчинник (толуол або ксилол), який використовується для захисного покриття, має набагато нижчий поверхневий натяг — приблизно 28 дин.

Нижче наведено значення поверхневого натягу звичайних рідин – чим нижчий індекс натягу, тим краще рідина підходить для створення покриттів.

Матеріал Поверхнева енергія в динах
Вода 73
Етилен 48
Ксилол 29
Толуол 28
MEK 25
Циклогексан 25
Ізопропанол (IPA) 23

Що означає термін «змочування»?

Говорячи про конформне покриття, часто використовують термін «змочування». Замість наукового визначення краще описати, коли матеріал має добру змочуваність, а коли ні. Захисне покриття має хорошу змочуваність коли воно легко розподіляється по поверхні друкованої плати, утворюючи однорідний бездефектний шар рівномірної товщини. І навпаки: матеріал погано змочується, коли на його поверхні утворюються характерні намистини, бульбашки, тріщини або товщина покриття нерівномірна.

Приклад із життя

Приклад із повсякденного життя, який дає змогу легко зрозуміти вплив поверхневої енергії чи змочування, – це процес нанесення воску на автомобіль. Металеві та пофарбовані частини автомобіля мають досить високу поверхневу енергію і коли вони не покриті жодним шаром, вода утворює на них однорідну тонку плівку. Щоб цього уникнути, автомобіль покривають шаром низькоенергетичних матеріалів, таких як віск або фторполімери. У результаті зниження поверхневої енергії утворюються краплі води, які потім легше відпадають. Процес нанесення воску на автомобіль є прямою протилежністю того, чого ми хотіли б досягти в процесі нанесення захисного покриття.

Тверда Поверхнева енергія твердого тіла > Поверхневий натяг рідини = Хороша адгезія/змочування

Є багато факторів, які впливають на поверхневу енергію, але нам не потрібно зараз ними займатися. Для цілей процесу нанесення захисного покриття варто лише пам’ятати, що для досягнення належного зволоження та адгезії поверхнева енергія твердого тіла (тобто друкованої плати) має бути вищою за поверхневий натяг рідких сполук, які використовуються для покриття.

Цей принцип показано на малюнку нижче. Ліворуч ми бачимо поверхню паяльної маски (зелена), поверхнева енергія якої перевищує енергію захисного покриття (жовта), що дозволяє створити однорідний шар. Праворуч наведено два приклади, коли поверхнева енергія менша за поверхневий натяг, що спричиняє погану змочуваність і призводить до неоднорідної поверхні. Чим більша різниця між рівнями енергії, тим більш вираженими будуть негативні дефекти. Ступінь невідповідності зазвичай вимірюється як кут нахилу отриманої краплі до поверхні.

Як виміряти поверхневу енергію друкованої плати?

Найпопулярнішим методом вимірювання поверхневої енергії є використання ручок Dyne, які дозують рідини з іншим, раніше відомим поверхневим натягом. Поверхнева енергія в такому випробуванні визначається шляхом порівняння поведінки нанесених рідин на поверхні. Як зазвичай, хороша змочуваність забезпечується, лише якщо поверхнева енергія дорівнює або перевищує поверхневий натяг нанесеної рідини. На малюнку вище показано приклад такого випробування: порушення змочуваності відбувається десь між лініями 40 і 42, тому поверхневу енергію плати можна визначити як 40-41 дин/см.

Рекомендації

Як правило, HumiSeal рекомендує мінімальну поверхневу енергію 38 дин або більше для безпосереднього етапу попереднього нанесення покриття.

На жаль, перед нанесенням захисного покриття є багато процесів, які можуть знизити рівень поверхневої енергії друкованої плати. Енергія зменшується через осадження або міграцію забруднювачів з низькою поверхневою енергією, таких як масла, віск або пластифікатори. Джерела цих забруднюючих речовин можуть включати:

  • переміщення плати під час огляду чи монтажу
  • міграція пластифікаторів під час пайки оплавленням або інших термічних процесів
  • неправильний профіль оплавлення, що залишає залишки флюсу
  • використання невідповідних миючих рідин
  • забруднення від упаковки

Кожна операція обробки, транспортування або оплавлення залишає іонні або неіонні забруднення на платі. Доцільно вимірювати поверхневу енергію перед кожним кроком процесу SMT і бачити, які дії впливають на її рівень. Після визначення таких кроків легко впровадити коригувальні дії для зменшення джерел забруднення.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl