印制电路组件UV光固化涂敷工艺技术

高 柯，何燕春，袁莓婷，白 羽

(航空工业西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710068)

0 引言

随着电子组件集成程度越来越高以及所处环境越来越恶劣，对产品抗恶劣环境、抗气体腐蚀的要求越来越高，特别是高可靠性航空、航天、航海的电子产品，在PCBA表面形成敷形涂层能够起到防潮、绝缘、防霉、防盐雾等作用[1-3]。针对不同类型涂敷材料形成的涂层固化形式一般分为空气氧化固化、溶剂挥发固化、热固化、熔融固化、紫外光辐射固化（简称UV固化）[4-5]。

UV固化工艺是光化学反应中最前沿的应用，其通过一定能量的紫外光照射于漆层上，使透明漆层在零点几秒或几秒之内迅速固化。该技术起始于印刷行业，最大特点是①固化速度快、效率高，适用于大规模的自动流水生产线生产需求，有效提高生产效率，节约成品堆积的空间；②节省能源，UV固化只需用于激发出光引发剂的辐射能，消耗能量仅为热固化工艺的10%～20%；③环境友好，UV固化所用的能量为电能，不产生废气，且光固化材料中几乎不含有有机物挥发溶剂，不污染环境，减少对操作人员身体的危害；④具有经济性，UV固化加工设备紧凑、占地面积小、成本较低，有利于降本增效。因此，UV固化是一项绿色工业的新型技术，目前在涂料、胶黏剂、油墨、木材、塑料、金属、玻璃、陶瓷等材料上广泛使用[6-7]。

1 UV光固化工艺

1.1 UV固化过程

UV固化过程也叫三防漆硬化，主要是经由紫外线光（波长200～400 nm）的强光照，光激发物接受紫外线的放射热量并裂解而产生自由基，这种自由基再通过对单体和预聚合物进行热聚合、化学交联、接枝反应等，在相对较短的时间内凝固成为网状大分子聚合物，瞬间将材料从液态变成固态。

UV固化过程，通常可以分成如下五个阶段：

（1）光激发物吸收紫外线，成为激发态的光激发物；

（2）受激态的光诱导剂不安定，容易溶解生成自由基；

（3）自由基和预聚物中的不饱和基相互作用进行加成、交叉连接或聚合等过程，从而产生自由中间物；

（4）自由中间物质进行链增长反应，获得长链或网状的大分子材料聚合物自由基中间体；

（5）通过长链或网状的大分子材料聚合物与自由基中间体的长链终止反应，将原来液体组分转化为固态高分子。

1.2 UV固化时间

UV固化三防漆在太阳光或距离紫外线灯10 cm下照射，大多UV胶水在紫外线下固化5～10 s就可达到表面固化硬化，不同类型三防漆的紫外线固化强度不同，其固化时间与紫外线灯功率大小、紫外线与产品之间的距离相关，一般丙烯酸结构的UV三防漆在1～10 s可以达到初步固化，20～30 s达到固化要求，24 h后达到预定的附着强度要求，环氧结构的UV三防漆胶水在10～120 min方可达到初步固化，7 h后达到初步固化要求。

1.3 UV光固化清漆

UV光固化清漆主要组成一般有低聚物[8]、光固化引发剂、荧光剂等，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饱和双键的树脂在光作用下形成自由基，而UV固化反应速率的快慢由自由基聚合反应的速度决定，一般情况下自主由基的化学反应频率：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进行分类，主要包含：环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等。

环氧丙烯酸酯是由环氧树脂与（甲基）丙烯酸酯化混合而成，环氧丙烯酸盐按化合物构成方式又可分为双酚A环氧丙烯酸盐、酚醛环氧丙烯酸盐、改性环氧丙烯酸盐和环氧化物丙烯酸盐。双酚A环氧丙烯酸酯的光固化速度较快，具有硬化后漆膜光泽度高、硬度大、耐蚀性好、耐热性好和绝缘性好等特点，但也有维修困难、维修报废率高和修复周期长等特点。

聚氨酯丙烯酸酯（PUA）主要由多异氰酸酯、多链二醇以及丙烯酸氧负离子酯经反应制备。由于多异氰酸酯和多链二醇的多分子具有可选择性，利用分子结构也可以制成设定性质的低聚物。

聚酯丙烯酸酯（PEA）是由低分子量聚酯二醇，经丙烯酸盐酯化而制备。聚酯丙烯酸黏度较低，具有低气味性、少刺激性和较好的柔韧性以及高浸润性等优点，采用多官能度的聚酯丙烯酸酯能够增加其变硬速率，而使用胺改性的聚酯丙烯酸酯则能降低对氧阻聚的影响，同时增强涂料的黏附能力，提高光滑度以及耐磨性。

1.4 UV光固化设备

UV光固化设备，是指一类能产生可使用的极强紫外光线的表面处理机器，通常也叫作UV光固化机（UV固化机、基石科技UV机、UV光固化箱、UV机）。

UV固化光源一般包括：水银灯UV固化机、无极灯UV固化机、LED光源UV固化机。

水银灯UV固化机（俗称汞灯）是目前最常见的紫外线光源，又叫汞蒸气灯，是一个石英脉灯管，它是由封装中含水银、两端有钨电极的透明石英脉管所构成，内充惰性气体的氩元素，接通加温灯丝时，由于水温上升，两端阴极形成压力差，液体水银蒸汽化，在石英脉管内的基态汞分子之间得到激励而转移到受激态，再从激励态返回基态时便发出了紫外线。

无极灯UV固化机是水银UV固化机的升级版本，主要是由水银、氩、铁和镓的典型化合物及其他稀有金属混合而成，比水银灯的穿透能力更强，此类灯管具有电极间距更长、弧光长等特点。它又称为微波激光灯，微波通过电控管产生，并被引入由无电极灯管和反射体构成的微波腔中，以微波的功率激发灯管中汞和添加物分子产生等离子体，有效地发出紫外光、可见光、红外线。它和汞灯不同的地方是灯管内并无高压电极，石英灯管直径较小，一般为9～13 nm。

LED光源UV固化机（LED-UV）中的LED灯管结构已经跳出了普通石英管的范畴，其产生紫外光源，通过一个发光二极管，把电转变为光，是一个半导体晶片，晶片一头附在支架上，一端为负极，另一端连接电源的正极，整个晶片都被环氧树脂密封起来。半导体晶片主要由两部分构成，一部分是P型半导体，其中大部分是空穴中心，另一部分是N型半导体，其中大部分是电子，中间是一至五个周期的量子阱。当输出电压经过导线作用，和晶体振荡器融合时，电子和空穴中心就会被引入量子阱，而在量子阱里电子和空穴中心结合，以光子的形态产生电能，当发出的光在紫外线波段内即为LED-UV光源。各类固化设备优劣势对比如下表1所示。

表1 UV固化设备情况

2 UV固化三防漆应用过程中面临的问题及挑战

2.1 UV漆固化不完全问题

第一，针对印制电路组件（PCBA）产品表面形状复杂的区域和较厚的涂层固化均比较困难，使用仅UV光单固化体系的材料不足以支撑印制电路组件表面涂敷，为克服光固化材料的缺点，应使用双重固化体系的UV漆[9]，解决UV漆固化不完全问题。双重固化体系可以利用光快速固化定型，再加上其他体系辅助固化，例如热固化、湿气固化等固化体系协同作用，使光照不到或光照较弱的部分也能彻底固化[10]。第二，UV漆是在一定波长情况下进行固化，一般UV漆固化波长分为365 nm、395 nm、405 nm，选用的固化机发出的UV光源应涵盖UV漆所需的波长，否则会导致UV固化不完全问题。第三，有一些UV漆固化需要大量的能量，使用功率过小的LED-UV固化机，造成固化过程非常缓慢，以致不能凝固。第四，由于UV固化机光源老化造成的功率减弱，使用前可用能量计检测光强，当无法满足要求时，及时更换。

2.2 UV三防漆脱漆，开裂问题

第一，三防漆覆盖于印制电路组件表面，电路组件的洁净度直接影响漆层附着力，因此，在印制电路组件涂敷前需要进行清洗，清洗后制样（与产品同一制程）进行表面绝缘电阻（SIR）测试、抽样进行离子溶度测试或针对特殊区域进行局部离子溶度测试以确保产品表面清洁度；第二，印制电路组件表面干燥度不足，产品清洗后应对组件表面进行干燥处理，使用高温烘烤或除湿柜干燥，干燥后产品应尽快进行涂敷；第三，UV光固化时间过长，漆层老化导致其柔韧性不足，一般UV光固化时长在秒级，通过漆层表面硬化判定UV三防漆固化程度，UV固化炉固化三防漆时长一般设定为UV三防漆表面固化时长的80%；第四，过厚的涂层厚度会导致涂层柔韧性不足，产品在高低温冲击过程中因漆层与元器件表面（金属表面或陶瓷表面）的热膨胀系数（CTE）不同导致漆层脱离元器件，因此降低涂层厚度和提升漆层材料的柔韧性是UV三防漆涂敷PCBA表面的关键因素[11]。

2.3 UV三防漆固化后发白问题

涂层固化后发白主要原因是漆面或胶层在涂敷时形成小泡，涂料层在凝固过程中会发生收缩，涂料厚薄不均或涂层硬度高，收缩形成的内应力无法释放，会导致气泡产生，表现为涂层发白，且当大量气泡聚集后可能会导致漆层脱落。因此，首先需要依据印制电路组件情况选择合适胶水，确定胶水调配比例，调整涂覆工艺方法或尽可能采用设备涂敷方式进行喷涂，确保涂敷涂层均匀；其次需注意印制电路组件的清洁和干燥，避免印制电路组件受到灰尘、油污和水分的影响，特别是电路组件上有水分会导致产品固化后出现发白现象；再次产品在涂敷完成后需要保持产品稳定，尽可能不移动产品，因为产品在固化过程中组件震动会导致漆层起泡、发白等问题。

2.4 UV三防漆的起皱问题

UV三防漆起皱是指三防漆在表面形成波纹状或皱纹状的形态。UV涂层起皱主要原因有：第一，PCBA表面状态与UV三防漆兼容性较差，例如，PCBA的表面能过低、有机物残留导致三防漆在产品表面无法顺利铺展，因此，在产品表面涂敷前应先清洗PCBA表面且通过离子溶度测试或SIR测试。当PCBA表面能小于34达因值时可以使用表面促进等方式增加其表面能，提高三防漆在产品表面附着力；第二，UV固化设备的能量无法达到UV三防漆应有的固化能量，三防漆在固化过程中收缩起皱，故在UV设备投产使用时应使用能量仪对UV固化设备固化能量进行测试，确认其复合材料固化能量所需；第三，UV固化设备所用UV光源发出的UVA、UVB、UVC三部分能量不同步不均衡，导致漆的表层、内层和底层固化不同步引发漆层起皱或开裂的问题，故需要针对UV三防漆所需的UV波段选择合适UV光源设备。

2.5 UV三防漆可返修性

目前UV三防漆的返修方式有加热法、机械法、喷砂去除和化学溶解或溶胀法[12]。加热法是漆膜在高温下化学性能发生变更（脆化或软化），利用外力将漆膜剥离；机械法和喷砂法是利用机械或喷砂的方式去除漆膜。这几种方式均为物理返修，其过程操作困难，易损伤产品，特别是对于印制电路密度大、返修区域大的产品。因此，化学溶解或溶胀法的优势突出，该方法是利用脱漆剂对漆膜进行溶胀或溶解使得漆膜从PCBA表面剥离且不损伤产品表面。当去漆剂涂抹至漆层表面，去漆剂会逐步渗入到漆层内部，使涂膜的体积不断增大，三防漆体积增大所产生的内应力，可以减少或破坏三防漆对PCBA表面的附着力，从而导致漆层溶胀、皱起。当去漆剂无法渗入漆层对聚合物不起反应时，将无法使用化学返修法进行去除，其可返修性将下降，UV光固化清漆中环氧丙烯酸酯类聚合物形成的三防漆不宜使用去漆剂进行去除，聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯类聚合物一般可使用去漆剂进行去除，其维修性较好。

3 结语

综上所述，本文针对敷形涂层的固化技术，介绍了印制电路组件UV光固化涂敷工艺技术，总结了UV光固化过程原理、固化时间选择、UV光固化清漆、固化设备的类型及其优缺点，针对UV固化三防漆应用于PCBA表面涂敷过程中面临的固化不完全、涂层脱落开裂、涂层发白、起皱、返修等问题进行分析，提出问题解决方案，使得UV光固化技术更好地应用于印制电路组件中，满足于高集成度、恶劣环境下工作的印制电路组件的涂覆生产。