印制電路組件UV光固化涂敷工藝技術(shù)

高 柯，何燕春，袁莓婷，白 羽

(航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 陜西 西安 710068)

0 引言

隨著電子組件集成程度越來(lái)越高以及所處環(huán)境越來(lái)越惡劣，對(duì)產(chǎn)品抗惡劣環(huán)境、抗氣體腐蝕的要求越來(lái)越高，特別是高可靠性航空、航天、航海的電子產(chǎn)品，在PCBA表面形成敷形涂層能夠起到防潮、絕緣、防霉、防鹽霧等作用[1-3]。針對(duì)不同類型涂敷材料形成的涂層固化形式一般分為空氣氧化固化、溶劑揮發(fā)固化、熱固化、熔融固化、紫外光輻射固化（簡(jiǎn)稱UV固化）[4-5]。

UV固化工藝是光化學(xué)反應(yīng)中最前沿的應(yīng)用，其通過一定能量的紫外光照射于漆層上，使透明漆層在零點(diǎn)幾秒或幾秒之內(nèi)迅速固化。該技術(shù)起始于印刷行業(yè)，最大特點(diǎn)是①固化速度快、效率高，適用于大規(guī)模的自動(dòng)流水生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成品堆積的空間；②節(jié)省能源，UV固化只需用于激發(fā)出光引發(fā)劑的輻射能，消耗能量?jī)H為熱固化工藝的10%～20%；③環(huán)境友好，UV固化所用的能量為電能，不產(chǎn)生廢氣，且光固化材料中幾乎不含有有機(jī)物揮發(fā)溶劑，不污染環(huán)境，減少對(duì)操作人員身體的危害；④具有經(jīng)濟(jì)性，UV固化加工設(shè)備緊湊、占地面積小、成本較低，有利于降本增效。因此，UV固化是一項(xiàng)綠色工業(yè)的新型技術(shù)，目前在涂料、膠黏劑、油墨、木材、塑料、金屬、玻璃、陶瓷等材料上廣泛使用[6-7]。

1 UV光固化工藝

1.1 UV固化過程

UV固化過程也叫三防漆硬化，主要是經(jīng)由紫外線光（波長(zhǎng)200～400 nm）的強(qiáng)光照，光激發(fā)物接受紫外線的放射熱量并裂解而產(chǎn)生自由基，這種自由基再通過對(duì)單體和預(yù)聚合物進(jìn)行熱聚合、化學(xué)交聯(lián)、接枝反應(yīng)等，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)凝固成為網(wǎng)狀大分子聚合物，瞬間將材料從液態(tài)變成固態(tài)。

UV固化過程，通常可以分成如下五個(gè)階段：

（1）光激發(fā)物吸收紫外線，成為激發(fā)態(tài)的光激發(fā)物；

（2）受激態(tài)的光誘導(dǎo)劑不安定，容易溶解生成自由基；

（3）自由基和預(yù)聚物中的不飽和基相互作用進(jìn)行加成、交叉連接或聚合等過程，從而產(chǎn)生自由中間物；

（4）自由中間物質(zhì)進(jìn)行鏈增長(zhǎng)反應(yīng)，獲得長(zhǎng)鏈或網(wǎng)狀的大分子材料聚合物自由基中間體；

（5）通過長(zhǎng)鏈或網(wǎng)狀的大分子材料聚合物與自由基中間體的長(zhǎng)鏈終止反應(yīng)，將原來(lái)液體組分轉(zhuǎn)化為固態(tài)高分子。

1.2 UV固化時(shí)間

UV固化三防漆在太陽(yáng)光或距離紫外線燈10 cm下照射，大多UV膠水在紫外線下固化5～10 s就可達(dá)到表面固化硬化，不同類型三防漆的紫外線固化強(qiáng)度不同，其固化時(shí)間與紫外線燈功率大小、紫外線與產(chǎn)品之間的距離相關(guān)，一般丙烯酸結(jié)構(gòu)的UV三防漆在1～10 s可以達(dá)到初步固化，20～30 s達(dá)到固化要求，24 h后達(dá)到預(yù)定的附著強(qiáng)度要求，環(huán)氧結(jié)構(gòu)的UV三防漆膠水在10～120 min方可達(dá)到初步固化，7 h后達(dá)到初步固化要求。

1.3 UV光固化清漆

UV光固化清漆主要組成一般有低聚物[8]、光固化引發(fā)劑、熒光劑等，低聚物是清漆最主要成分，光固化的主要原理是清漆中的低聚物有不飽和雙鍵的樹脂在光作用下形成自由基，而UV固化反應(yīng)速率的快慢由自由基聚合反應(yīng)的速度決定，一般情況下自主由基的化學(xué)反應(yīng)頻率：丙烯酰氧基＞甲基丙烯酰氧基＞乙烯基＞烯丙基。

UV光固化清漆按其自由基光固化的低聚物進(jìn)行分類，主要包含：環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等。

環(huán)氧丙烯酸酯是由環(huán)氧樹脂與（甲基）丙烯酸酯化混合而成，環(huán)氧丙烯酸鹽按化合物構(gòu)成方式又可分為雙酚A環(huán)氧丙烯酸鹽、酚醛環(huán)氧丙烯酸鹽、改性環(huán)氧丙烯酸鹽和環(huán)氧化物丙烯酸鹽。雙酚A環(huán)氧丙烯酸酯的光固化速度較快，具有硬化后漆膜光澤度高、硬度大、耐蝕性好、耐熱性好和絕緣性好等特點(diǎn)，但也有維修困難、維修報(bào)廢率高和修復(fù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。

聚氨酯丙烯酸酯（PUA）主要由多異氰酸酯、多鏈二醇以及丙烯酸氧負(fù)離子酯經(jīng)反應(yīng)制備。由于多異氰酸酯和多鏈二醇的多分子具有可選擇性，利用分子結(jié)構(gòu)也可以制成設(shè)定性質(zhì)的低聚物。

聚酯丙烯酸酯（PEA）是由低分子量聚酯二醇，經(jīng)丙烯酸鹽酯化而制備。聚酯丙烯酸黏度較低，具有低氣味性、少刺激性和較好的柔韌性以及高浸潤(rùn)性等優(yōu)點(diǎn)，采用多官能度的聚酯丙烯酸酯能夠增加其變硬速率，而使用胺改性的聚酯丙烯酸酯則能降低對(duì)氧阻聚的影響，同時(shí)增強(qiáng)涂料的黏附能力，提高光滑度以及耐磨性。

1.4 UV光固化設(shè)備

UV光固化設(shè)備，是指一類能產(chǎn)生可使用的極強(qiáng)紫外光線的表面處理機(jī)器，通常也叫作UV光固化機(jī)（UV固化機(jī)、基石科技UV機(jī)、UV光固化箱、UV機(jī)）。

UV固化光源一般包括：水銀燈UV固化機(jī)、無(wú)極燈UV固化機(jī)、LED光源UV固化機(jī)。

水銀燈UV固化機(jī)（俗稱汞燈）是目前最常見的紫外線光源，又叫汞蒸氣燈，是一個(gè)石英脈燈管，它是由封裝中含水銀、兩端有鎢電極的透明石英脈管所構(gòu)成，內(nèi)充惰性氣體的氬元素，接通加溫?zé)艚z時(shí)，由于水溫上升，兩端陰極形成壓力差，液體水銀蒸汽化，在石英脈管內(nèi)的基態(tài)汞分子之間得到激勵(lì)而轉(zhuǎn)移到受激態(tài)，再?gòu)募?lì)態(tài)返回基態(tài)時(shí)便發(fā)出了紫外線。

無(wú)極燈UV固化機(jī)是水銀UV固化機(jī)的升級(jí)版本，主要是由水銀、氬、鐵和鎵的典型化合物及其他稀有金屬混合而成，比水銀燈的穿透能力更強(qiáng)，此類燈管具有電極間距更長(zhǎng)、弧光長(zhǎng)等特點(diǎn)。它又稱為微波激光燈，微波通過電控管產(chǎn)生，并被引入由無(wú)電極燈管和反射體構(gòu)成的微波腔中，以微波的功率激發(fā)燈管中汞和添加物分子產(chǎn)生等離子體，有效地發(fā)出紫外光、可見光、紅外線。它和汞燈不同的地方是燈管內(nèi)并無(wú)高壓電極，石英燈管直徑較小，一般為9～13 nm。

LED光源UV固化機(jī)（LED-UV）中的LED燈管結(jié)構(gòu)已經(jīng)跳出了普通石英管的范疇，其產(chǎn)生紫外光源，通過一個(gè)發(fā)光二極管，把電轉(zhuǎn)變?yōu)楣猓且粋€(gè)半導(dǎo)體晶片，晶片一頭附在支架上，一端為負(fù)極，另一端連接電源的正極，整個(gè)晶片都被環(huán)氧樹脂密封起來(lái)。半導(dǎo)體晶片主要由兩部分構(gòu)成，一部分是P型半導(dǎo)體，其中大部分是空穴中心，另一部分是N型半導(dǎo)體，其中大部分是電子，中間是一至五個(gè)周期的量子阱。當(dāng)輸出電壓經(jīng)過導(dǎo)線作用，和晶體振蕩器融合時(shí)，電子和空穴中心就會(huì)被引入量子阱，而在量子阱里電子和空穴中心結(jié)合，以光子的形態(tài)產(chǎn)生電能，當(dāng)發(fā)出的光在紫外線波段內(nèi)即為L(zhǎng)ED-UV光源。各類固化設(shè)備優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如下表1所示。

表1 UV固化設(shè)備情況

2 UV固化三防漆應(yīng)用過程中面臨的問題及挑戰(zhàn)

2.1 UV漆固化不完全問題

第一，針對(duì)印制電路組件（PCBA）產(chǎn)品表面形狀復(fù)雜的區(qū)域和較厚的涂層固化均比較困難，使用僅UV光單固化體系的材料不足以支撐印制電路組件表面涂敷，為克服光固化材料的缺點(diǎn)，應(yīng)使用雙重固化體系的UV漆[9]，解決UV漆固化不完全問題。雙重固化體系可以利用光快速固化定型，再加上其他體系輔助固化，例如熱固化、濕氣固化等固化體系協(xié)同作用，使光照不到或光照較弱的部分也能徹底固化[10]。第二，UV漆是在一定波長(zhǎng)情況下進(jìn)行固化，一般UV漆固化波長(zhǎng)分為365 nm、395 nm、405 nm，選用的固化機(jī)發(fā)出的UV光源應(yīng)涵蓋UV漆所需的波長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致UV固化不完全問題。第三，有一些UV漆固化需要大量的能量，使用功率過小的LED-UV固化機(jī)，造成固化過程非常緩慢，以致不能凝固。第四，由于UV固化機(jī)光源老化造成的功率減弱，使用前可用能量計(jì)檢測(cè)光強(qiáng)，當(dāng)無(wú)法滿足要求時(shí)，及時(shí)更換。

2.2 UV三防漆脫漆，開裂問題

第一，三防漆覆蓋于印制電路組件表面，電路組件的潔凈度直接影響漆層附著力，因此，在印制電路組件涂敷前需要進(jìn)行清洗，清洗后制樣（與產(chǎn)品同一制程）進(jìn)行表面絕緣電阻（SIR）測(cè)試、抽樣進(jìn)行離子溶度測(cè)試或針對(duì)特殊區(qū)域進(jìn)行局部離子溶度測(cè)試以確保產(chǎn)品表面清潔度；第二，印制電路組件表面干燥度不足，產(chǎn)品清洗后應(yīng)對(duì)組件表面進(jìn)行干燥處理，使用高溫烘烤或除濕柜干燥，干燥后產(chǎn)品應(yīng)盡快進(jìn)行涂敷；第三，UV光固化時(shí)間過長(zhǎng)，漆層老化導(dǎo)致其柔韌性不足，一般UV光固化時(shí)長(zhǎng)在秒級(jí)，通過漆層表面硬化判定UV三防漆固化程度，UV固化爐固化三防漆時(shí)長(zhǎng)一般設(shè)定為UV三防漆表面固化時(shí)長(zhǎng)的80%；第四，過厚的涂層厚度會(huì)導(dǎo)致涂層柔韌性不足，產(chǎn)品在高低溫沖擊過程中因漆層與元器件表面（金屬表面或陶瓷表面）的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同導(dǎo)致漆層脫離元器件，因此降低涂層厚度和提升漆層材料的柔韌性是UV三防漆涂敷PCBA表面的關(guān)鍵因素[11]。

2.3 UV三防漆固化后發(fā)白問題

涂層固化后發(fā)白主要原因是漆面或膠層在涂敷時(shí)形成小泡，涂料層在凝固過程中會(huì)發(fā)生收縮，涂料厚薄不均或涂層硬度高，收縮形成的內(nèi)應(yīng)力無(wú)法釋放，會(huì)導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生，表現(xiàn)為涂層發(fā)白，且當(dāng)大量氣泡聚集后可能會(huì)導(dǎo)致漆層脫落。因此，首先需要依據(jù)印制電路組件情況選擇合適膠水，確定膠水調(diào)配比例，調(diào)整涂覆工藝方法或盡可能采用設(shè)備涂敷方式進(jìn)行噴涂，確保涂敷涂層均勻；其次需注意印制電路組件的清潔和干燥，避免印制電路組件受到灰塵、油污和水分的影響，特別是電路組件上有水分會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品固化后出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象；再次產(chǎn)品在涂敷完成后需要保持產(chǎn)品穩(wěn)定，盡可能不移動(dòng)產(chǎn)品，因?yàn)楫a(chǎn)品在固化過程中組件震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致漆層起泡、發(fā)白等問題。

2.4 UV三防漆的起皺問題

UV三防漆起皺是指三防漆在表面形成波紋狀或皺紋狀的形態(tài)。UV涂層起皺主要原因有：第一，PCBA表面狀態(tài)與UV三防漆兼容性較差，例如，PCBA的表面能過低、有機(jī)物殘留導(dǎo)致三防漆在產(chǎn)品表面無(wú)法順利鋪展，因此，在產(chǎn)品表面涂敷前應(yīng)先清洗PCBA表面且通過離子溶度測(cè)試或SIR測(cè)試。當(dāng)PCBA表面能小于34達(dá)因值時(shí)可以使用表面促進(jìn)等方式增加其表面能，提高三防漆在產(chǎn)品表面附著力；第二，UV固化設(shè)備的能量無(wú)法達(dá)到UV三防漆應(yīng)有的固化能量，三防漆在固化過程中收縮起皺，故在UV設(shè)備投產(chǎn)使用時(shí)應(yīng)使用能量?jī)x對(duì)UV固化設(shè)備固化能量進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)其復(fù)合材料固化能量所需；第三，UV固化設(shè)備所用UV光源發(fā)出的UVA、UVB、UVC三部分能量不同步不均衡，導(dǎo)致漆的表層、內(nèi)層和底層固化不同步引發(fā)漆層起皺或開裂的問題，故需要針對(duì)UV三防漆所需的UV波段選擇合適UV光源設(shè)備。

2.5 UV三防漆可返修性

目前UV三防漆的返修方式有加熱法、機(jī)械法、噴砂去除和化學(xué)溶解或溶脹法[12]。加熱法是漆膜在高溫下化學(xué)性能發(fā)生變更（脆化或軟化），利用外力將漆膜剝離；機(jī)械法和噴砂法是利用機(jī)械或噴砂的方式去除漆膜。這幾種方式均為物理返修，其過程操作困難，易損傷產(chǎn)品，特別是對(duì)于印制電路密度大、返修區(qū)域大的產(chǎn)品。因此，化學(xué)溶解或溶脹法的優(yōu)勢(shì)突出，該方法是利用脫漆劑對(duì)漆膜進(jìn)行溶脹或溶解使得漆膜從PCBA表面剝離且不損傷產(chǎn)品表面。當(dāng)去漆劑涂抹至漆層表面，去漆劑會(huì)逐步滲入到漆層內(nèi)部，使涂膜的體積不斷增大，三防漆體積增大所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，可以減少或破壞三防漆對(duì)PCBA表面的附著力，從而導(dǎo)致漆層溶脹、皺起。當(dāng)去漆劑無(wú)法滲入漆層對(duì)聚合物不起反應(yīng)時(shí)，將無(wú)法使用化學(xué)返修法進(jìn)行去除，其可返修性將下降，UV光固化清漆中環(huán)氧丙烯酸酯類聚合物形成的三防漆不宜使用去漆劑進(jìn)行去除，聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯類聚合物一般可使用去漆劑進(jìn)行去除，其維修性較好。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)敷形涂層的固化技術(shù)，介紹了印制電路組件UV光固化涂敷工藝技術(shù)，總結(jié)了UV光固化過程原理、固化時(shí)間選擇、UV光固化清漆、固化設(shè)備的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)UV固化三防漆應(yīng)用于PCBA表面涂敷過程中面臨的固化不完全、涂層脫落開裂、涂層發(fā)白、起皺、返修等問題進(jìn)行分析，提出問題解決方案，使得UV光固化技術(shù)更好地應(yīng)用于印制電路組件中，滿足于高集成度、惡劣環(huán)境下工作的印制電路組件的涂覆生產(chǎn)。