Введение

В последние годы наблюдается значительный рост электронной промышленности в мире. Печатные платы, являющиеся основным элементом электронных устройств, находят применение в автомобильной электронике, теле- и радиокоммуникациях, медицине, бытовых приборах, оборонной и аэрокосмической промышленности. Современное электронное оборудование становится все компактнее, умнее и эффективнее, а условия его эксплуатации более экстремальными (повышенная и криогенная температуры, ионизирующее излучение, вибрация и удары).

Для сохранения надежности микроэлектроники в течение длительного срока службы в мире разработаны современные защитные лаковые композиции. Материалы для формирования покрытий на поверхности печатных плат представляют собой жидкие составы, включающие либо раствор полимера, либо раствор олигомера с инициатором полимеризации, либо раствор олигомера или полимера с отвердителем. Составы наносятся на поверхность платы различными методами. К основным характеристикам покрытий для печатных плат относят функциональные свойства: влаго-, термо- и теплостойкость, физико-механические и электрические свойства.

Помимо этого, электроизоляционное покрытие должно обладать определенными свойствами с позиций как разработки качественного лакокрасочного материала и его успешной эксплуатации, так и экономической составляющей дальнейшего производства. Одним из таких свойств является ремонтопригодность влагозащитного покрытия, которая заключается в возможности его частичного или полного снятия с подложки без ее повреждения. Наиболее распространенным методом снятия слоя лакокрасочного покрытия (ЛКП), подлежащего замене, является размягчение или полное растворение растворителями или их смесями. Этот способ позволяет в дальнейшем восстановить покрытие практически без изменения его свойств [1]. Материалы, способные после нанесения растворяться и покидать поверхность подложки, называют смываемыми или частично смываемыми. Для смываемых материалов используют термопласты или слабо сшитые реактопласты. Сильно сшитые сетчатые полимеры в подавляющем большинстве случаев являются неплавкими и нерастворимыми системами, которые можно удалить с поверхности подложки только механическим способом. Тогда возникает опасность повреждения печатной платы и увеличения трудозатрат на ее ремонт и обслуживание.

В данной статье рассмотрены основные методы удаления электроизоляционных покрытий, выделены наиболее подходящие из них в зависимости от химической природы ЛКП.

Работа проведена в рамках реализации стратегического направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия», комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [2].

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Способы удаления влагозащитных электроизоляционных покрытий

При ремонте и доработке печатных узлов может возникнуть необходимость локально или полностью удалить влагозащитное лаковое покрытие. Особое внимание этому процессу уделяют при ремонте дорогостоящих печатных узлов, в том числе применяемых в изделиях специального назначения. Удаление лаков с поверхности печатных узлов регламентируется ГОСТ Р 55491–2013 «Платы печатные. Правила восстановления и ремонта».

Покрытия удаляются одним из приведенных методов или их совокупностью [1, 3]:

– растворный;

– механическая очистка, в том числе отслаивание;

– термический;

– микроструйный.

Данные способы удаления подходят для всех видов печатных плат: жестких, гибких, гибко-жестких, с объемным электрическим монтажом, гибких печатных кабелей и др. [4].

Удаление покрытий растворным способом основано на воздействии агрессивных физических или химических сред на полимерный материал. Отнесение той или иной среды к физически или химически агрессивным средам определяется реакционной и растворяющей способностью ее компонентов, а также природой пленкообразователя: химическим составом и структурой, наличием функциональных групп, характеристиками основных связей в макромолекуле, сродством к компонентам смывающего агента [1, 5]. 

Как правило, удаление методом растворения осуществляется с помощью смывок на основе органических растворителей и смывок на основе кислот, щелочей и солей. Последние являются агрессивными соединениями, что ограничивает их использование при ремонте печатных узлов [6]. Содержащиеся в них соли, кислоты и щелочи отрицательно воздействуют на электрические характеристики печатных плат, поэтому после удаления покрытия стадия промывки деионизированной водой является обязательной.

Смывки на основе органических растворителей воздействуют физически, зачастую вызывая обратимые изменения в морфологии ЛКП – набухание и растворение [7], что способствует его беспрепятственному удалению. Для очистки поверхности печатных плат от лаковых покрытий используются различные растворители, которые также подходят для формирования лакокрасочной среды: ацетон, толуол, ксилол, бутиловый спирт, этилцеллозольв и др. [8]. В данных и подобных веществах большинство несшитых полимеров набухает и размягчается, а в предельном случае – растворяется. В состав некоторых органических смывок для удаления ЛКП входят хлорпроизводные углеводородов (метиленхлорид, трихлорэтилен в составе смывок СП-6, СП-7, СЭУ-1, СЭУ-2 и др. [1]). Однако в последнее время в мире наблюдается тенденция к снижению частоты использования таких растворителей в силу высокой токсичности и летучести [9–11], несмотря на их способность смывать даже сшитые пленкообразователи. Помимо этого, хлорпроизводные углеводородов могут повредить печатную плату, состоящую из полимерного композиционного материала. Зарубежные фирмы, производящие влагозащитные лаки, часто разрабатывают собственные смывки для того или иного типа лака (смывки линейки Stripper от фирмы HumiSeal, очиститель FLUX-OFF от фирмы Cramolin и др.). 

Использование органических веществ, обладающих растворяющей способностью по отношению к полимерным пленкообразователям, является мягким и щадящим методом удаления покрытия с окрашенной поверхности. Однако важно помнить, что некоторые растворители способны вызвать увеличение объема или вздутие композиционного полимерного материала, из которого состоит печатная плата [3, 4].

Для снятия отвержденного лака с поверхности печатного узла растворитель наносят с помощью тампона и по истечении времени, необходимого для размягчения или растворения ЛКП, аккуратно удаляют с помощью щеток, кисточек или ветоши. При удалении методом растворения допускается небольшой нагрев для интенсификации процесса набухания и растворения пленкообразователя. Допускается полное погружение печатной платы в емкость с растворителем [3].

Для удаления покрытия механическим методом (шлифование, зачистка и др.) обычно применяют нож, скальпель или бормашину. В процессе могут использоваться подходящие абразивные материалы, а также фрезы сферической формы [3]. Как и при других способах удаления, важно уделить внимание риску повреждения поверхности печатного узла, при этом твердость электроизоляционного покрытия имеет особое значение при выборе данного метода.

Метод отслаивания относится к механическим вариациям удаления лаковых покрытий с поверхности печатных узлов. Этот метод можно использовать только в некоторых случаях для удаления отвержденных при комнатной температуре кремнийорганических лаков или других толстых резиноподобных материалов [3]. Согласно ГОСТ Р 55491–2013, покрытие подрезают, отслаивают и удаляют с помощью ножа, тщательно контролируя процесс, чтобы избежать повреждений поверхности печатной платы, поскольку большинство влагозащитных электроизоляционных покрытий представляют собой твердые материалы [12].

Термический метод удаления применяют для замены паяльной маски и очистки плат от толстых слоев покрытий. Ключевым условием для применения этого способа является относительно низкая температура размягчения покрытия. Сшитые и неплавкие пленкообразователи таким методом удалить невозможно. В процессе используются специальные нагревательные элементы различной формы с регулируемой температурой либо контролируемый поток горячего воздуха или инертного газа. При этом материал покрытия либо сдувается струей, либо удаляется с помощью неповреждающих инструментов [3]. Однако термический метод удаления считается наименее предпочтительным, так как для успешного удаления большинства покрытий требуется длительное воздействие высокой температуры [12]. Кроме того, термическое прожигание может повредить многие компоненты печатной платы, а термическое разложение материалов сопровождается выделением токсичных летучих веществ.

Удаление покрытия микроструйным методом представляет собой одну из разновидностей пневмоабразивных способов. Этот метод предполагает использование микроструйной абразивной системы с мелкими частицами и соплом малого диаметра. Влагозащитное электроизоляционное покрытие разрушается за счет абразивного износа, возникающего в результате столкновения твердых частиц с поверхностью при высокоскоростной подаче смеси абразива и воздуха [1, 13]. Применение микроструйного метода может сопровождаться образованием электростатических зарядов, поэтому печатный узел должен быть заземлен, что усложняет процесс удаления покрытия [3]. Однако эта проблема может быть решена за счет использования абразивов из диэлектрических материалов [14].

Традиционно для удаления ЛКП в качестве абразивных материалов применяют кварцевый песок, чугунную, стальную и алюминиевую дробь и крошку. Однако из-за особенностей материалов, используемых в производстве печатных плат, рекомендуется снизить твердость частиц и применять аэродисперсии из более мягких абразивов, таких как пластиковый бисер, сода, косточковая крошка и др. В качестве абразива также можно использовать скорлупу грецкого ореха, что делает данный метод экологически безопасным [14].

Для реализации микроструйного абразивного метода необходимы специальные установки. Некоторое время в нашей стране активно использовали установку Swam Blaster Turbo Max (производства компании Crystal Mark, США), затем группа компаний «Остек» разработала первую отечественную установку для микроабразивного удаления «Борей». С помощью установки «Борей» можно качественно очистить поверхности печатных узлов от различных видов традиционных отечественных материалов (УР-231, Э-30, ЭД-20, ЭП-9114), париленовых покрытий (Parylene C, N, D), а также от современных лаков (HumiSeal 1А68, 1А33, 1R32A-2, 1B73; Dow Corning 3140, 2577), включая лаки ультрафиолетового отверждения (HumiSeal UV40, UV-50LV, UV500) [15, 16]. Помимо указанных установок, в мире также широко применяются установки Swam Blaster (производства компании Crystal Mark, США) моделей EV-2, MV-2, LV-1 [17, 18] и др., а также установки ProCenter Plus с системой пневматической подачи микроабразивного материала AccuFlo (производства компании Comco Inc., США) [19].

Далее рассмотрена применимость перечисленных методов к электроизоляционным покрытиям различной химической природы.

Способы удаления полиуретановых электроизоляционных покрытий

Активно используемые полиуретановые электроизоляционные покрытия обладают необходимыми диэлектрическими свойствами, влагостойкостью, стойкостью к истиранию, твердостью и являются экономичными материалами [8, 20].

Растворение широко применяется для удаления полиуретановых влагозащитных лаков с поверхности печатных плат в силу доступности растворителей, характеризующихся различной скоростью растворения и селективностью по отношению к полимерным материалам. Например, покрытие на основе полиуретанового лака HumiSeal 1A33 [21] удаляется смывкой HumiSeal Stripper 1063, в состав которой входит метанол и гидроксид калия [22]. По данным работы [12], полиуретановые влагозащитные покрытия удаляются также с помощью этиленгликолевого эфира в композиции с щелочным активатором и изопропиловым спиртом. Несмотря на растворимость полиуретановых пленкообразующих, используемых в производстве лаков для печатных плат, часто после обработки растворителями требуется механическая обработка поверхности от остатков покрытия [23], после которой обязательно проводится промывание платы деионизированной водой.

Для удаления полиуретановых покрытий не рекомендуется использовать термические методы: при высокой температуре полиуретаны разлагаются, выделяя токсичные вещества. Рациональность использования механических методов удаления зависит от твердости полиуретанового пленкообразователя, которая, в свою очередь, определяется природой пленкообразователя, однако имеется высокая вероятность выхода из строя печатной платы.

Рекомендуется удаление полиуретановых покрытий микроструйным абразивным методом. При правильно подобранном абразиве процесс удаления таких покрытий занимает несколько минут [12, 15], в то время как при удалении с помощью растворителей требуется длительная выдержка [24].

Способы удаления эпоксидных электроизоляционных покрытий

Эпоксидные лаки для печатных плат представляют собой преимущественно двухкомпонентные системы [8, 25, 26]. Эпоксидные покрытия обладают высокой стойкостью к влаге и растворителям, твердостью и часто ‒ хорошими оптическими характеристиками, но имеют небольшую жизнеспособность, трудно ремонтируются: с больших участков их практически нельзя удалить малоагрессивными смывками без повреждения материалов печатной платы [24, 27].

Удаление эпоксидных композиций с печатных плат шлифованием и отслаиванием неактуально из-за их высокой твердости и пониженной эластичности [8, 12]. Однако эти методы находят применение на отечественных предприятиях, связанных с производством радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, в силу высокой химической стойкости эпоксидные влагостойкие покрытия полностью не удаляются с поверхности печатных узлов растворителями.

Термические методы удаления не сопровождаются выделением токсичных продуктов разложения эпоксидных пленкообразующих, поэтому применяются для снятия эпоксидных влагозащитных покрытий, если позволяет природа полимера [12]. При использовании этого метода важно помнить о легкости повреждения печатной платы.

Рабочие станции для микроструйного абразивного удаления подходят для более качественного очищения поверхности печатных узлов от эпоксидных влагозащитных покрытий [15, 16, 23].

Способы удаления акриловых электроизоляционных покрытий

В общем случае для покрытий на основе термопластичных полиакрилатов характерна высокая атмосферо- и светостойкость [20]. Они бесцветны, хорошо шлифуются и полируются, подвержены размягчению при повышенной температуре [8, 28]. Термореактивные полиакрилаты образуют пленки с высокой механической прочностью, адгезией к металлам, водо-, бензо- и химической стойкостью [8]. В связи с особенностями химической структуры, физико-механических свойств и морфологии для удаления акриловых ЛКП можно применять все известные способы [12].

Акриловые покрытия легко удаляются с поверхности печатных плат под действием органических растворителей за счет хорошей растворимости в них [8, 20]. Например, при применении смесей различных составов из кетонов, ксилола, спиртов, ацетатов удаление покрытий занимает от 2 до 7 мин [24]. Благодаря данному свойству акриловых пленкообразователей легко выбрать подходящий растворитель как экспериментальным, так и расчетным способом [29] и удалить покрытие.

За счет сравнительно низких температур размягчения акриловых полимеров такие покрытия можно удалять термическими и механическими способами. Акриловые ЛКП легко соскабливаются, если нанесены тонким слоем [12, 24]. Метод микроструйной очистки поверхности также позволяет легко удалить акриловые покрытия [12].

Способы удаления кремнийорганических электроизоляционных покрытий

Кремнийорганические покрытия гибкие, негорючие, обладают отличной влаго- и химической стойкостью, но трудно ремонтируются, требуют модификации для стабилизации свойств (таких как слабая адгезия, недостаточная стойкость к минеральным маслам) [8, 20, 30].

Поскольку электроизоляционные покрытия на основе кремнийорганических полимеров обладают хорошей гибкостью, рекомендуется их удалять отслаиванием [3].

В связи с высокой химической стойкостью удаление таких покрытий методом растворения возможно только в случае использования либо очень активных растворителей (метиленхлорид и др. [12]), либо специфических менее активных растворителей на основе углеводородов и кислотных активаторов при длительной выдержке. Как и в случае с полиуретановыми покрытиями, кремнийорганические покрытия выдерживают в растворителе, пока они не станут легко отделяться от материала печатной платы, и удаляют механически.

Микроабразивный метод также применяется для удаления кремнийорганических влагозащитных лаков. Свежие покрытия небольшой толщины удаляются хорошо, старые или толстослойные – сложнее и дольше [12].

Способы удаления париленовых электроизоляционных покрытий

Париленовые (полипараксилиленовые) покрытия обладают высоким уровнем электроизоляционных свойств, влаго- и химической стойкости, а также стойкости к истиранию [12]. Такие покрытия сложно и трудоемко формируются, что является лимитирующим фактором их распространения: соответствующий димер (дипараксилилен) испаряется и подвергается разложению на мономеры и радикалы, которые впоследствии осаждаются на поверхности и взаимодействуют друг с другом в процессе полимеризации.

Для удаления париленовых покрытий применимы механические методы и микроабразивная очистка, ограниченно – термические методы и растворение [12]. В качестве растворителя используется тетрагидрофуран, в котором плата с покрытием выдерживается 2–4 ч. В других более доступных растворителях париленовые пленкообразующие не растворяются, поэтому использование данного способа в качестве основного нецелесообразно.

Заключения

Оптимальный способ удаления влагозащитного электроизоляционного покрытия определяется его химической природой, толщиной нанесенного слоя и площадью необходимой обработки. При удалении влагозащитного покрытия с поверхности печатной платы также необходимо учитывать тип материалов, из которых она сделана.

В таблице приведены наиболее предпочтительные методы удаления влагозащитных покрытий в зависимости от вида пленкообразующего.

Предпочтительные методы удаления различных типов покрытий

Удаление влагозащитных электроизоляционных покрытий методом растворения остается наиболее доступным и широко применяемым способом, однако в последние годы его использование сокращается из-за токсичности растворителей. В настоящее время одним из наиболее эффективных, экологически безопасных и универсальных способов удаления практически всех типов таких покрытий является микроструйный пневмоабразивный метод. Однако его применение требует наличия специализированного оборудования.

Подводя итог, можно отметить, что непрерывное развитие электронной промышленности диктует необходимость создания новых материалов для печатных плат, совершенствования технологий их производства и ремонта. При этом особое внимание следует уделять внедрению «зеленых» технологий, а также вопросам утилизации и экологической безопасности [31–34].