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Análise das Propriedades Químicas e Físicas para Revestimentos de Silicone Aplicados em Placas Modulares de LED
Última alteração: 22-12-2023
Resumo
IntroduçãoAs placas de circuito impresso (PCBs) frequentemente enfrentam problemas de falhas devido à corrosão de seus componentes, sendo essa questão especialmente comum nas terminações de componentes usados em montagem em superfície (SMD) [1]. Para lidar com esse desafio, existe o conceito de "conformal coating", que é um tipo de revestimento composto por uma camada fina – com espessura variando de 25 a 200 μm – e é empregado com o propósito de proteger as placas eletrônicas contra fatores agressivos presentes no ambiente. Esses fatores podem incluir esforços mecânicos, descargas elétricas, reações químicas adversas, estresse térmico, contato com solventes e outros agentes [2].Em diversas situações, uma falha no circuito pode resultar na inutilização do dispositivo, o que por sua vez reduz sua vida útil e se torna um risco significativo em equipamentos críticos [2]. Uma das abordagens mais frequentemente adotadas para aplicar o "conformal coating" é a utilização de revestimentos de silicone, os quais apresentam uma propriedade de bloquear contaminantes indesejados [3]. Essas características demonstram sua importância substancial nas PCBs direcionadas ao segmento de Light Emitting Diode (LED).A seleção da técnica de cura mais adequada desempenha um papel crucial na eficiência e confiabilidade do processo. Um amplo espectro de métodos de cura está disponível, englobando opções como a cura térmica, cura por umidade e cura por exposição à luz [2]. Pesquisas recentes apontam que a adoção do método de cura por UV pode resultar em uma redução significativa, chegando a 90%, nas emissões de gases de efeito estufa, quando comparado ao processo tradicional de cura térmica [4].As placas de LED destinadas a painéis eletrônicos veiculares apresentam características e requisitos distintos em comparação com seu uso convencional. Realizar uma análise minuciosa do revestimento e compreender seu desempenho pode notavelmente aprimorar a qualidade do produto final. Essa abordagem visa satisfazer uma ampla gama de demandas por parte dos clientes, os quais, por sua vez, poderão proporcionar serviços mais eficazes à população, uma vez que esses dispositivos desempenham um papel crucial na mobilidade urbana.Porém, os sistemas de encapsulamento de LED e as soluções empregadas para a gestão térmica, bem como os revestimentos isolantes e de proteção, frequentemente demonstram uma limitada capacidade de resistência às condições climáticas adversas e ao desgaste prematuro [6]. A utilização de revestimentos isolantes de alto desempenho pode ter um impacto significativo na extensão da vida útil dos dispositivos eletrônicos. Contudo, devido à variação na qualidade dos revestimentos isolantes disponíveis no mercado e às particularidades inerentes aos circuitos eletrônicos, a eficácia dessa proteção pode ser comprometida [7].A propriedade de hidrofobicidade tem sido alvo de grande interesse por parte de pesquisadores, sendo explorada com entusiasmo. Essa característica atrativa tem despertado a atenção em diversos setores, como o automotivo, a indústria têxtil e os dispositivos ópticos [8]. A exposição à umidade resulta em modificações nos componentes, assim como nos resíduos presentes na superfície das placas PCB. Essas alterações acabam por desencadear o processo de corrosão [9].Desta forma, o propósito deste estudo é realizar uma caracterização minuciosa de um revestimento de "conformal coating" à base de silicone, com o objetivo de avaliar sua eficácia quando empregado em placas SMD de LED utilizadas em luminosos automotivos. Esse exame estará centrado na capacidade do revestimento de proporcionar proteção contra a exposição à água. Além disso, serão conduzidas análises espectroscópicas do "conformal coating" após a cura, bem como a determinação do perfil de degradação térmica.
Materiais e métodosA resina polimérica PDMS utilizada neste estudo é o silicone (Dowsil 1-2620, Dow Corning, EUA), que possui um mecanismo de cura dupla. Este revestimento é inflamável, e durante a sua aplicação, é necessário o uso de solvente para diluição. Entre as propriedades fornecidas pelo fabricante, destacam-se a sua temperatura de transição vítrea (Tg) de 127ºC, uma temperatura de uso contínuo de até 250ºC, uma tensão superficial de 21,5 (mN/m) e uma taxa de permeabilidade de 36.000 (P H2O).Para preparar os corpos de prova, o revestimento foi aplicado por pulverização em placas retangulares de 195 x 208mm, com um espaçamento de 13mm entre LEDs, visando análises microscópicas e de hidrofobicidade. Além disso, amostras foram produzidas depositando o revestimento em filme de teflon, permitindo sua remoção posterior para avaliação pós-cura do silicone. A cura, em ambos casos, foi realizada em forno de convecção a temperatura de 60 ºC por 20 min.No teste de hidrofobicidade, a formato de uma gota de água destilada sobre a superfície revestida ou não revestida de uma placa SMD foi fotografada usando uma Lupa Leica M205C, com aumento de 10 vezes. A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi realizada na faixa de 600 a 4000 cm−1 usando um espectroscópio de reflexão total atenuado (FTIR-ATR) da Perkin Elmer, modelo Frontier. As características dos picos obtidos foram comparadas com a literatura. A análise termogravimétrica (TGA) foi conduzida para avaliar a taxa de decomposição e o resíduo final do silicone após queima em atmosfera inerte. Utilizamos o equipamento TGA 4000 da Perkin Elmer, seguindo a norma ASTM D3850. As amostras foram aquecidas de 30 °C a 900 °C a uma taxa de 20 °C/min sob atmosfera de nitrogênio.
Resultados e discussãoEspectroscopia infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), é uma técnica amplamente utilizada para caracterizar silicones e obter informações sobre sua estrutura [10]. O espectro da amostra é apresentado na Figura 1 e demonstra pico na região entre 1000 e 1200 cm-1, associado a ligações siloxano (Si-O-Si). Em torno de 1260-1460 cm-1 outra banda é destacada, relacionada às vibrações das ligações C-H dos grupos metil. O pico de 1600 a 1660 cm-1 pode pertencer aos grupos vinil (C2H3), relacionada a cura da resina [9-10]. No entanto, uma análise detalhada dos picos espectrais FTIR da amostra indica que existe uma distinção de valores quando comparados com outros revestimentos. As intensidades de banda observadas são proporcionais à quantidade de material constituinte disponível, isso pode ser explicado por customização que cada fabricante aplica ao seu produto, [10].
A Figura 2 ilustra a termogravimetria, sendo visível que até aproximadamente 380 °C ocorre perda de massa devido à evaporação de solventes residuais ou outros componentes voláteis, correspondendo a 6,7% de massa. A decomposição térmica é caracterizada pela ruptura das cadeias poliméricas em produtos de menor peso molecular devido à exposição ao aumento da temperatura [11]. Na decomposição do elastômero de silicone ocorre a formação de dióxido de silício (SiO2) [10], sendo percebida como a queda correspondente a 58,6 % da massa total, tendo seu pico em 497ºC. O resíduo final ficou em torno de 35 %, sendo estável acima de 620 °C.A análise do ângulo de contato do silicone pode ser sensivelmente afetada por diversos entre eles podemos destacar composição química e estado superficial, [12]. Quando o ângulo de contato entre o líquido e a superfície é superior a 90°, isso indica características hidrofóbicas, ou seja, a superfície repele a umidade e líquidos. Isso é vantajoso em aplicações onde líquidos podem causar danos ou curtos-circuitos nos componentes eletrônicos. A Figura 3 apresenta a imagem de engrandimento da gota de água sobre a placa SMD com e sem revestimento. Fica clara a ação hidro-repelente do coating, pela menor área de contato entre o substrato e o líquido, indicando repulsão.
Para aprofundar a investigação da hidrofobicidade em resinas de silicone em, em trabalhos futuros serão realizadas análises após a exposição das placas SMD à agentes agressivos e ao passar das semanas. Isso ajudaria a determinar se a degradação da resina afeta sua hidrofobicidade ao longo do tempo.
ConclusãoNeste trabalho foi investigado o efeito de um coating de silicone sobre placa SMD. A espectroscopia FTIR apontou a presença de ligações siloxano, grupos metil e vinil, enquanto a termogravimetria indicou a formação de dióxido de silício durante a decomposição térmica. Além disso, a análise do ângulo de contato demonstrou a eficácia do revestimento de "conformal coating" na criação de uma superfície hidro-repelente. Futuros estudos que considerem a exposição a agentes agressivos e o envelhecimento das placas SMD são necessários para compreender melhor a durabilidade dessa hidrofobicidade ao longo do tempo. Essas descobertas são fundamentais para aplicações eletrônicas onde a proteção contra umidade é essencial.
Materiais e métodosA resina polimérica PDMS utilizada neste estudo é o silicone (Dowsil 1-2620, Dow Corning, EUA), que possui um mecanismo de cura dupla. Este revestimento é inflamável, e durante a sua aplicação, é necessário o uso de solvente para diluição. Entre as propriedades fornecidas pelo fabricante, destacam-se a sua temperatura de transição vítrea (Tg) de 127ºC, uma temperatura de uso contínuo de até 250ºC, uma tensão superficial de 21,5 (mN/m) e uma taxa de permeabilidade de 36.000 (P H2O).Para preparar os corpos de prova, o revestimento foi aplicado por pulverização em placas retangulares de 195 x 208mm, com um espaçamento de 13mm entre LEDs, visando análises microscópicas e de hidrofobicidade. Além disso, amostras foram produzidas depositando o revestimento em filme de teflon, permitindo sua remoção posterior para avaliação pós-cura do silicone. A cura, em ambos casos, foi realizada em forno de convecção a temperatura de 60 ºC por 20 min.No teste de hidrofobicidade, a formato de uma gota de água destilada sobre a superfície revestida ou não revestida de uma placa SMD foi fotografada usando uma Lupa Leica M205C, com aumento de 10 vezes. A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foi realizada na faixa de 600 a 4000 cm−1 usando um espectroscópio de reflexão total atenuado (FTIR-ATR) da Perkin Elmer, modelo Frontier. As características dos picos obtidos foram comparadas com a literatura. A análise termogravimétrica (TGA) foi conduzida para avaliar a taxa de decomposição e o resíduo final do silicone após queima em atmosfera inerte. Utilizamos o equipamento TGA 4000 da Perkin Elmer, seguindo a norma ASTM D3850. As amostras foram aquecidas de 30 °C a 900 °C a uma taxa de 20 °C/min sob atmosfera de nitrogênio.
Resultados e discussãoEspectroscopia infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), é uma técnica amplamente utilizada para caracterizar silicones e obter informações sobre sua estrutura [10]. O espectro da amostra é apresentado na Figura 1 e demonstra pico na região entre 1000 e 1200 cm-1, associado a ligações siloxano (Si-O-Si). Em torno de 1260-1460 cm-1 outra banda é destacada, relacionada às vibrações das ligações C-H dos grupos metil. O pico de 1600 a 1660 cm-1 pode pertencer aos grupos vinil (C2H3), relacionada a cura da resina [9-10]. No entanto, uma análise detalhada dos picos espectrais FTIR da amostra indica que existe uma distinção de valores quando comparados com outros revestimentos. As intensidades de banda observadas são proporcionais à quantidade de material constituinte disponível, isso pode ser explicado por customização que cada fabricante aplica ao seu produto, [10].
A Figura 2 ilustra a termogravimetria, sendo visível que até aproximadamente 380 °C ocorre perda de massa devido à evaporação de solventes residuais ou outros componentes voláteis, correspondendo a 6,7% de massa. A decomposição térmica é caracterizada pela ruptura das cadeias poliméricas em produtos de menor peso molecular devido à exposição ao aumento da temperatura [11]. Na decomposição do elastômero de silicone ocorre a formação de dióxido de silício (SiO2) [10], sendo percebida como a queda correspondente a 58,6 % da massa total, tendo seu pico em 497ºC. O resíduo final ficou em torno de 35 %, sendo estável acima de 620 °C.A análise do ângulo de contato do silicone pode ser sensivelmente afetada por diversos entre eles podemos destacar composição química e estado superficial, [12]. Quando o ângulo de contato entre o líquido e a superfície é superior a 90°, isso indica características hidrofóbicas, ou seja, a superfície repele a umidade e líquidos. Isso é vantajoso em aplicações onde líquidos podem causar danos ou curtos-circuitos nos componentes eletrônicos. A Figura 3 apresenta a imagem de engrandimento da gota de água sobre a placa SMD com e sem revestimento. Fica clara a ação hidro-repelente do coating, pela menor área de contato entre o substrato e o líquido, indicando repulsão.
Para aprofundar a investigação da hidrofobicidade em resinas de silicone em, em trabalhos futuros serão realizadas análises após a exposição das placas SMD à agentes agressivos e ao passar das semanas. Isso ajudaria a determinar se a degradação da resina afeta sua hidrofobicidade ao longo do tempo.
ConclusãoNeste trabalho foi investigado o efeito de um coating de silicone sobre placa SMD. A espectroscopia FTIR apontou a presença de ligações siloxano, grupos metil e vinil, enquanto a termogravimetria indicou a formação de dióxido de silício durante a decomposição térmica. Além disso, a análise do ângulo de contato demonstrou a eficácia do revestimento de "conformal coating" na criação de uma superfície hidro-repelente. Futuros estudos que considerem a exposição a agentes agressivos e o envelhecimento das placas SMD são necessários para compreender melhor a durabilidade dessa hidrofobicidade ao longo do tempo. Essas descobertas são fundamentais para aplicações eletrônicas onde a proteção contra umidade é essencial.
Palavras-chave
Conformal coating, Painéis de LED, Silicone
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