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Labormessmethoden zur Untersuchung der Schutzwirkung von Silikaschichten für Leiterplatten

Knaus, Florian (2022):
Labormessmethoden zur Untersuchung der Schutzwirkung von Silikaschichten für Leiterplatten. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020238,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Labormessmethoden zur Untersuchung der Schutzwirkung von Silikaschichten für Leiterplatten
Language: German
Abstract:

Durch die fortschreitende Digitalisierung der Gesellschaft nimmmt auch die Verwendung von Leiterplatten (engl. Printed Circuit Boards, kurz PCBs) in elektronischen Geräten deutlich zu. Um diese Leiterplatten vor Korrosion zu schützen, werden nach dem derzeitigen Stand der Technik lösemittelhaltige Polymerlacke verwendet. Neben umweltschädlichen Abgasen haben diese Lacke mehrere Nachteile. Dazu gehören z. B. die Schichtdicke, die einen Wärmestau verursachen kann, sowie hohe Kosten. Als neuartige Alternative arbeitet die Fa. Siemens AG an einem plasmaunterstützten Gasphasenabscheidungsprozess (PECVD), bei dem ein Polymer auf Siliziumdioxidbasis auf der Oberfläche der Leiterplatte abgeschieden wird. Diese Beschichtungsmaterialien sollen eine bessere und nachhaltigere Alternative zu den herkömmlichen darstellen. Als Precursor wird dabei Hexamethyldisiloxan (HMDSO) verwendet. Um ein umfassendes Verständnis der Schutzwirkung dieser Schichten erlangen zu können, muss der stofftransport durch diese untersucht werden. Dazu müssen neben grundlegenden analytischen Messmethoden (z. B. IR- oder Raman-Spekroskopie) auch anwendungspezifische Tests durchgeführt werden. Im Rahmen dieser Tests werden zwei Gruppen unterschiedlicher Mechanismen untersucht: die elektrochemischen (z. B. TAFEL-Analyse) und die physikalisch-chemischen Mechanismen (z. B. Diffusion und Permeation). Außerdem spielt die Stärke der Adhäsion eine wichtige Rolle bei der Beurteilung ihrer Qualität. In dieser Arbeit, die in Zusammenarbeit mit der Fa. Siemens AG entstanden ist, werden vor allem die Gasdiffusions- und Permeationsmechanismen untersucht. Zunächst wurde ein Messprotokoll entwickelt, um diese Mechanismen durch die neuartigen Beschichtungen zu untersuchen. Aufgrund der Undurchlässigkeit des Leiterplattenmaterials muss auch ein geeignetes Trägermaterial gefunden werden, mit dem die Messungen durchgeführt werden können. Darüber hinaus wurden Teilaspekte der elektrochemischen Mechanismen untersucht, um anschließend zu überprüfen, ob die gemessenen Ergebnisse mit denen aus den Diffusions- und Permeationsmessungen übereinstimmen. Dazu wurde ein spezieller Drei-Elektroden-Aufbau für potentiodynamische Polarisationstests an beschichteten Testleiterboards entwickelt. Bei allen Messungen wurden Mehrschichtsysteme untersucht, die zur Oberfläche hin eine zunehmende Hydrophobie aufweisen. Diese Struktur basiert auf Adhäsions- und Oberflächeneigenschaften. Sowohl in elektrochemischen als auch in physikalisch-chemischen Experimenten zeigte der Materialtyp C (Bezeichnung der Siemens AG) die beste Schutzwirkung. Neben der guten Schutzwirkung dieser Beschichtung im Vergleich zu den anderen, zeigte sie auch eine gute Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Lacken. Zu diesem Ergebnis kamen auch die weiteren Untersuchungen bei der Siemens AG. Mit der Möglichkeit, Leiterplatten durch PECVD-Beschichtungen vor Korrosion zu schützen, bietet dieses Verfahren eine interessante Alternative zu herkömmlichen Lacken. Im Zuge verschärfter Restriktionen bieten diese zusätzlich eine Möglichkeit, den Leiterplattenschutz nachhaltig zu gestalten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Due to the ongoing digitalization of the society, the use of printed circuit boards (PCBs) in electronic devices is also increasing significantly. To protect these printed circuit boards from corrosion, solvent-based polymer varnishes are used at the current state of the art. In addition to the enviromentally harmful exhaust gases, these paint coatings have multiple disadvantages. These include e. g. the layer thickness, which causes heat accumulation or high costs. As a novel alternative the Siemens AG is working on a plasma enhanced chemical vapor desposition process (PECVD) to deposit a silica-based polymer on the surface of the PCBs. These coating materials are intended to be a better and more sustainable alternative to the conventional ones. The precursor used is hexamethyldisiloxane (HMDSO). In order to gain a thorough understanding of the protective effect of these layers, it is necessary to study the mass transfer through them. For this purpose, application-specific tests must be carried out in addition to basic analytical measurement methods (e. g. IR- or Raman-spectroscopy). These tests are divided into two parts: the electrochemical (e. g. TAFEL-analysis) and the physicochemical mechanisms (e. g. diffusion and permeation). Additionally, the strength of the adhesion plays an important role in estimating its quality. This work is in cooperation with SIEMENS AG and primarily investigates the gas diffusion and permeation mechanisms. Firstly, an experiment and measurement procedure were developed to examine these mechanisms through the novel coatings. Due to the impermeability of the PCB material, an adequate substrate material must also be found that allows the measurements to be carried out. In addition, partial aspects of the electrochemical mechanisms were studied in order to subsequently check wether the measured results correspond to those from the diffusion and permeation measurements. Therefore, a specific three electorde setup for potentiodynamic polarization tests of coated test boards was developed. In all measurements, multilayer systems were investigated that exhibit increasing hydrophobicity towards the surface. This structure is based on adhesion and surface properties. In both electrochemical and physicochemical experiments, the material type C (designation by Siemens AG) was shown to have the best protective effect. In addition to the good protective effect of this coating compared to the others, it also showed good performance compared to conventional varnishes. This result was also obtained by the further investigations at Siemens AG. With the possibility of protecting printed circuit boards against corrosion by applying PECVD coatings, this process offers an interesting alternative to conventional paints. In the wake of tighter restrictions, these additionally offer a way to make PCB protection sustainable.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 115 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
Date Deposited: 10 Feb 2022 13:38
Last Modified: 10 Feb 2022 13:38
DOI: 10.26083/tuprints-00020238
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202380
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Andrieu-Brunsen, Prof. Dr. Annette
Date of oral examination: 24 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20238
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