溶剂型涂覆过程中电连接器的防护工艺

何燕春,袁莓婷,刘 炜,雷 驰,王文俊

(航空工业西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710068)

0 引言

近年来,随着电子信息行业的快速发展,连接器作为电子产品中的重要精密型元器件被广泛应用,特别是高可靠性航空、航天电子产品。但航空、航天产品由于在工作中处于恶劣环境中,对其抗恶劣环境、抗气体腐蚀要求极高,需要在印制电路板(printed-circuit board,PCB)表面形成一层敷形涂层,起到防潮、绝缘、防霉、防盐雾等作用[1]。而电子连接器的作用是进行产品上电性能的传输连接,不能进行绝缘涂敷,因此需要在PCB表面涂敷时进行遮蔽、密封以保证连接器接插部位的电连接有效性,但另一方面还需对其引脚部位进行涂敷防护保证可靠性。由于市场上连接器类型繁多,其防护工艺也不尽相同,在PCB表面形成敷形涂层工艺的关键难点在于电连接器的防护工艺突破[2-5]。

1 溶剂型涂敷工艺

溶剂型涂敷是指对电子产品上的元器件、焊点、印制线路等区域涂敷溶剂型涂料,干燥后形成与产品表面紧密贴合的敷形涂层,使产品与外部环境隔离,达到产品在湿热、霉菌、盐雾等恶劣环境中的防护功能。当所用涂敷材料中含有大量挥发性有机物VOCs时,同一面需进行重复涂敷,以覆盖原有涂层因溶剂挥发所产生的针孔,当需要多次涂敷时,应在前次涂层表干后、固化前进行下次涂敷,一般溶剂型涂敷的工艺流程如图1所示。

图1 溶剂型涂覆生产线流程图

目前常用的溶剂型涂敷工艺方法包含有:自动喷涂、手工喷涂、浸涂、刷涂、灌涂。自动喷涂工艺是采用自动化的喷涂设备进行,适用于批量生产(流水线)的产品,受设备工作区尺寸限制,一般用于无壳体的电源模块、母板、模块的涂敷,而有壳体的电源、机箱则不适用于该方法。同时,自动喷涂适宜采用单组份涂料,如丙烯酸型材料、有机硅型材料、UV固化材料等;手工喷涂工艺是将各类涂料装入手持喷枪中,使用手持式喷枪进行喷涂,配套喷漆柜抽风换气、压缩空气系统供气;浸涂工艺是将产品完全浸没于涂料中,使用浸涂设备控制产品浸入和提出速度,适用于低黏度涂料(如丙烯酸型、聚氨酯型、环氧型涂料),不适宜高黏度、快干型或填料较多的涂料,一般用于大批量模块产品的生产,对于有壳体的电源和机箱则不适合;对于装有不允许涂敷的可调器件(如电位器、开关)和非密封器件(如电连接器)不宜采用浸涂工艺,除非能对其进行密封防护;刷涂工艺是一种适用性最广泛的工艺,使用软毛刷对印制组件进行涂敷,由于是人工操作,可对涂敷区域进行控制,灵活性大,如机箱内部、复杂电源等均可进行操作,适用于小批量、结构复杂、局部保护要求苛刻、涂敷区域分散、涂敷面积小的产品,以及无法使用设备进行喷涂和浸涂操作的产品及局部返修,刷涂过程中为获得好的涂层,应避免毛刷来回涂抹,顺一个方向均匀刷涂,减少气泡和流痕的产生,为避免漏涂,可在紫光灯下进行涂敷;灌涂工艺是喷涂和刷涂的补充,对于喷涂、刷涂无法覆盖到的区域,使用注胶器对其进行涂料的灌注,例如大芯片的底部、密集的管腿间隙等部位。灌涂时,涂料应注满需涂敷部位的底部、间隙,保证所有涂敷表面均浸润漆液,并在灌涂结束后将涂敷区域内过多的漆液吸回,灌涂工艺一般在喷涂或刷涂前进行。

一般溶剂型涂敷的材料有环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、硅树脂等。环氧树脂类清漆具有良好的防潮、抗盐雾和化学性能,适用期短,易粉化,漆膜内应力大,不适合直接应用于产品表面;聚氨酯树脂清漆具有优异的长期介电性、防潮性和抗化学品性能,对施工环境较严苛,特别是湿度不能超过50%～70%;丙烯酸树脂清漆具有比其他清漆更优越的电性能、物理性能,其漆膜柔韧性好,固化无收缩且可维修性好;硅树脂清漆具有低黏度、高固体含量、无VOC溶剂等特点,热性硅树脂的热性能特别优秀,能耐200 ℃以上的高温。该类涂层较厚且分子量大,容易吸附小分子物质,特别是硫化物,容易造成电路板上含银器件局部硫化而失效,不适合含银等易硫化的印制电路组件的三防防护。以上四类涂层的维修性能:丙烯酸树脂>硅树脂>聚氨酯树脂>环氧树脂。各类涂敷材料要求的涂层厚度如表1所示。

表1 各类涂敷材料的涂层厚度要求

2 特殊连接器的防护工艺

航空工业西安航空计算技术研究所使用的涂敷材料是丙烯酸类,含有荧光剂,可在紫光灯下进行检测。产品涂敷前需要对不应涂敷区域进行掩膜保护,特别是连接器,因连接器的结构形式较多,特别是很多非密封连接器,印制电路组件表面涂敷时涂料易通过毛细作用倒吸进入连接器连接部位导致电连器绝缘失效,轻则返工清洗,重则更换连接器,导致连接器报废。因此,需要寻找一种优异的工艺方法既能保护连接器的底部焊接的细密管腿,又能防护连接器连接部位的电连接性[6-7]。

2.1 PMC连接器的防护

PMC连接器常用于各类子卡与基板之间的连接又称子母板间连接器,该连接器的特征是表面贴装于印制板表面,连接器分为子母插座,子插座内含弹簧卡片,形成“鱼嘴型”电连接点,卡片的最低端形成焊接管腿,管腿的上部分用于叠板间电信号连接,连接器内部的电连接层部分做了镀金处理,其三防性能较好且处于连接内部与母插座之间紧密连接,因此,当连接器焊接至印制板上时,只有管脚连接部位需要涂覆,但涂覆部位与电连接部位中间存在缝隙,未密封,在连接器涂覆时会因毛细现象作用导致连接部分也会吸上涂料,如图2所示。

图2 PMC连接器子插座截面图

PMC的母插座内部为金属卡片,外层有保护壳体将对接后的连接器进行整体保护,内部金属卡片与焊接管腿为一体,中间也存在缝隙,未密封,涂料也会进入上部金属卡片影响电连接,如图3所示。

图3 PMC连接器母插座截面图

为了确保涂料不进入电连接器,影响电连接性能,对子母插座均进行整体保护,先使用胶带将连接器整体进行缠绕且遮盖细密管腿,后在胶带与PCB连接部位涂上可剥离胶黏剂,如下图4所示,在产品喷涂后再将其整体去除,去除效果下图5所示,后期需要对PMC周边区域进行刷涂,其整体流程为掩膜保护—可剥离胶密封—剥离胶固化—喷涂—去保护—刷涂。同时,该工艺方法中PMC管腿位置与电连接部位联通,涂料具有流动性在进行刷涂时毛细现象作用直接进入连接器内部导致连接器管腿无法进行涂覆。

图4 PMC保护方法改进前保护效果图

图5 PMC保护方法改进前涂敷后保护去除效果图

为了连接器管腿位置能进行涂覆防护,制定了新的工艺方法,在产品掩膜遮蔽前对管腿位置进行防护和密封,其主要流程为管腿密封—密封胶固化—掩膜保护—喷涂—去保护,改进后简化了掩膜保护的操作难度且去除了涂敷后的刷涂操作,保证了改进后连接器管腿与周边涂层完整性,见图6所示,该过程中的主要难点在于管腿密封和防护所用胶黏剂应具有防护性能且黏稠度合适,不流动但可以自流平,另与涂料兼容性较好。在针对子插座密封时需要注意胶黏剂不可高于对接插座平台,不可影响母插座的对接性能,且需要密封严实以防涂料毛细现象作用进入连接器内部,如图7所示。

图6 PMC连接器管腿保护及周边位置的涂层情况

图7 子插座胶黏剂密封高度要求胶黏剂密封区域

2.2 线簧电连接器的防护

线簧电连接器是由插针、导向组件、锁紧组件等组成,连接器平铺于印制板表面,插针一端弯曲90度焊接于印制板面,另一端插针与锁紧部位同时与配套连接器对接,锁紧部位内置弹簧旋转后锁紧,确保连接器对接紧密不松脱,连接器主体与锁紧位置有安装螺钉将连接器主体安装在印制电路板上,形成连接器整体结构,如图8所示。

图8 线簧电连接器结构

为了确保涂料不进入电连接器区域影响电气连接性能,同时涂料不进入锁紧区域影响锁紧活动。连接器连接部位为插针,只需对电连接区域进行遮蔽就可防护其不进涂料,但锁紧区域因其联通区域有连接器主体、螺钉等,针对此连接器特点,对锁紧区域进行防护分析:(1)锁紧与连接器主体对接部位有螺钉穿过,螺钉安装区域与锁紧联通,如图9所示,当连接器安装在印制板上,涂料喷涂于印制板面螺钉区域时,因喷涂压力和涂料的毛细作用通过螺钉的缝隙进入锁紧区域;(2)锁紧区域与连接器整体相连,连接器弯连插针部分涂敷涂料时,涂料通过连接器主体与印制板接触区域缝隙渗入锁紧安装孔后进入锁紧区域;(3)锁紧与连接器主体接触缝隙涂料可能渗入。上述三种方式均可导致涂料进入锁紧区域,导致锁紧抱死,连接器无法拆卸。因此,针对该类连接器原防护工艺方法的主要流程为:掩膜保护—喷涂—去保护—灌涂—刷涂,掩膜保护时胶带完全包裹覆盖连接器整体且需将产品周边元件一并遮蔽,如图11所示,喷涂后再对周边元件局部区域进行灌涂、刷涂,手工灌涂、刷涂工作量大。

图9 连接器螺钉与连接器整体相联通

图10 改进前连接器保护工艺

图11 改进前连接器涂覆后工艺

为了去除涂敷后的灌涂、刷涂操作,根据连接器特点,设计制定整体防护工艺,改善后保护工艺流程为:掩膜保护—涂可剥离胶—喷涂—去保护。首先,将螺钉安装孔位置用胶黏剂进行封堵;其次,用胶带将锁紧整体缠绕且在锁紧与连接器整体接缝位置使用可剥离胶进行封堵,如图12所示;最后,将弯曲插针连接器主体部位中靠近锁紧区域的底部使用可剥离胶封堵。改进后涂料将无法进入锁紧区域,如图13所示,锁紧不会抱死。

图12 改进后连接器保护工艺

图13 改进后连接器涂覆后工艺

3 结语

本文针对不同类型连接器(如PMC连接器、线簧电连接器)在涂敷前的保护工序,依据其结构特性分析改进了不同连接器的掩膜遮蔽工艺方法,通过使用密封胶保护管腿、可剥离胶密封接缝位置等流程的优化,简化了掩膜保护的操作难度且去除了涂敷后的灌涂、刷涂操作,使得涂敷绝缘漆不影响连接器的电连接区域的电连通性,同时也能使连接器上焊接于印制电子组件上的焊点、管腿等区域得到有效涂敷保护,保证了连接器管腿与周边涂层的完整性。