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控制濕度防止電路板出現缺陷


在測試和檢查電路板時發現缺陷,由于報廢或需要返工,意味著收益受損。缺陷可能是由于裸電路板、組件、材料或其他原因引起的。潮濕就是導致電路板故障的一個原因,但這是可以預先控制的。
 
發現電路板有缺陷,并不是好事。制造工藝進行到這個時候,我們已經在電路板組件上增加了很多價值,不能不去排除這些缺陷。電路板的缺陷是各種因素造成的。這些因素可能與組件有關,可能與裸電路板有關,也可能是工藝窗口太窄,有時甚至是電路板布局或電路板設計的問題。
 
底線是一清二楚的——盡量減少缺陷。組裝好的電路板一旦有缺陷,代價是很高的。所以要盡量控制濕度防止電路板出現缺陷。
 
從處理原材料開始,制造工程師和工藝工程師有各種方法來減少電路板的缺陷。在部件方面,我們通??紤]組件和電路板,在工藝方面,檢查錫膏、模板、再流焊溫度曲線,是可能造成故障的原因。
 
還有一個地方我們可以減少電路板缺陷,這就是控制潮濕,這個方面經常被人們所忽視。
 
潮濕造成的缺陷
 
在上個世紀八十年代,人們就認識到表面貼裝器件的潮濕敏感性可能是導致電路板故障的原因。1990年,IPC發布IPC-SM-786“建議用于處理潮濕敏感塑料IC封裝的方法”,專門解決這個問題。有些基礎材料,如FR-4對潮濕有一定的敏感性。一塊裸電路板吸收了比正常情況下更多的水分,會造成尺寸的不穩定,在涂敷錫膏、粘合劑和貼裝組件時,會引起一些問題。
 
對于減少印刷工藝中與潮濕有關的缺陷,視覺對準系統的作用有限,因為PCB和模板之間的對準是使用整體*佳調整的方法。
 
涂布粘合劑則好得多,它利用電路板上的基準來修正整個坐標系統,減少膨脹和收縮對基礎材料的總體影響。
 
貼裝組件時,貼裝機利用同樣的視覺系統,還可以用多引腳細間距器件(QFP、TQF、TSSOP)附近的基準來進行調整。修正X/Y/θ坐標可以幫助你確定貼裝軸和組件中心,但仍然使用*符合算法使引腳對準焊盤。電路板十分潮濕時,組件的貼裝勉強合格。不過,使用標準的共晶錫膏時,由于再流焊固有的自定心作用,這樣貼裝的組件還是可以接受。但是,目前的無鉛錫膏的反應不一樣,在液相階段,自定心作用大大降低,或者完全沒有。
 
再流焊時,加熱潮濕的SMD封裝會使器件的封裝產生微裂紋,也可能使器件的結構分層。在加熱過程中,隨著溫度升高,水分迅速蒸發。在再流焊溫度曲線的短暫保溫階段,這些蒸汽形成氣流,在封裝內部發生微型爆炸。這種現象會造成引線連接斷裂以及基板或引線架產生微裂紋。
 
根據IPC/JEDEC J-STD-020D.1[1],“非密封封裝在經受再流焊的高溫時,它里面的水蒸汽壓力升高很多。在一定條件下,水蒸汽的壓力可能造成封裝材料與芯片和引線架基板在封裝內部脫離,形成沒有延伸到封裝外表面的內部裂紋、連接損傷、引線縮短、焊點翹起、芯片翹起、薄膜斷裂,或者在焊點下面形成弧坑。在*嚴重的情況下,應力可能造成內部封裝裂紋。這種現象通常稱為爆米花現象,這是應力使封裝鼓起,然后發生爆裂聲,產生裂紋。再流焊時,SMD組件在較高溫度下,比插孔組件更容易受這個問題的影響。”
 
好在這個標準關于潮濕程度和產品失效時間的規定,以及從器件中驅除水分的方法,是可測量、可接受的。
 
不論潮濕會導致什么樣的具體故障,其結果都是電路板組件不能使用。這些由MSD的缺點而造成的電路板故障,可以用一些基本處理原則來防止。
 
由于軍用和其他高可靠性電路板組件制造商面臨使用商用現貨(COTS)組件,他們承擔起管理潮濕敏感組件(MSD)和基板的責任。IPC/JEDEC再次引用J-STD-033B.1[2,4-5],對正確處理、包裝、運輸、以及使用潮濕/再流焊敏感表面貼裝器件作出詳細說明。
 
對于電路板組裝廠商,一旦把MSD從防潮袋(MBB)中取出時,J-STD-033B.1可以幫助他們制定延長MSD儲存期限的可接受方法。根據這個標準,儲存期限定義為“干燥包裝的潮濕敏感組件可以儲存在未開封的防潮袋里,而防潮袋專用內帶周圍的濕度不超過規定濕度的*短時間。”
 
所有MBB都有一個濕度指示卡(HIC),告訴你防潮袋里的水汽含量。*典型的HIC用三種顏色標記指示MBB里的相對濕度(RH),敏感值是5%、10%和60%。當MBB里的濕度達到相應的濕度值時,顏色標記就改變顏色。印刷前,HIC上有說明,它告訴使用者,是否需要重新設置產品失效時間。
 
根據這些標準,對于處在正常室內溫度的MSD,延長儲存時間的*簡單辦法之一是使用干燥劑防潮的干燥柜。
 
Shook和Googelle討論了,對于使用了對潮濕極敏感的器件的PCB,在組裝時,處理組件的獨特問題[3]。在他們的論文中提到的各種處理辦法中,使用干燥柜儲存MSD抑制潮濕是一個安全有效的方法,可以長時間安全地延長MSD的儲存時間。
 
制造商都根據J-STD-020D.1,按照組件的潮濕敏感水平(MSL)給所有潮濕敏感組件打分評級,加上標記。在組裝工廠,這個標記幫助組裝人員確定并重新設置或暫停產品失效時間時鐘所需要的時間。
 
原先是干燥的SMD包裝,如果只是暴露在不超過30℃、60%RH的環境,可以使用干燥包或干燥柜在室溫下除濕、充分干燥,這就足夠了。如果使用干燥包,總的除濕暴露時間不超過30分鐘,則原來的干燥劑可以重新使用。
 
吸出水分
*近進行的一項研究[6]確定在適度特別低的干燥柜中從器件吸出的水分。這個試驗在*壞的情況下用高吸水(有機吸濕)材料進行實驗。
 
總量為2000克的材料在水中浸泡,材料的吸水率為100%,然后把這些材料放進一個超低濕度干燥柜。材料從浸泡到移入干燥柜的過程中失去水分約2%。材料和它所帶的98%的水分進入干燥柜,干燥柜的溫度為62°F,相對濕度為37%。
 
一般制造設備的環境溫度和濕度在一年中可能很一樣。洛杉磯和長灘的環境濕度就是一個很好的例子。長灘的平均濕度在早上是80%,中午是54%,而洛杉磯在早上是79%,但中午只降到65%,而長灘和洛杉磯的距離只有25英里多一點。
 
電子制造是在溫度和濕度受控制的廠房里進行的。要努力把環境的溫度控制在68°F-72°F的范圍里,相對濕度控制在40-60%。
 
在超低濕度干燥柜從組件中吸出水分的條件下,不加熱,使用者就能達到J-STD-033B.1規定的干燥時間要求。對于MSL4、5和5a,如果暴露時間不超過8小時,干燥柜需要10×暴露時間,才能使SMD足夠干燥,可以根據這個時間重新設置產品儲存時間。把相對濕度能夠維持在不高于5%的干燥包或干燥柜中,就可以做到這點。
 
與此同時,IPC/JEDEC只認可一種主動加熱方法,對貼裝好的和未貼裝好的SMD封裝進行干燥,加熱時的*低溫度為40℃,*低相對濕度為5%。使用超低濕度干燥柜是有效的干燥方法,可以延長SMD封裝的儲存時間,避免使用IPC/JEDEC認可的重新設置方法。
 
主動干燥與干燥柜的比較
 
高能效超低濕度干燥柜的功率約為56瓦,而小型干燥設備的功率是2.2千瓦。在75小時的研究過程中,干燥柜消耗的電能比一個小型干燥爐2小時消耗的電能少。
 
超低濕度干燥在很多方面都對電路板質量起正面影響。主動加熱系統在干燥組件和裸電路板時,組件和電路板要經歷溫度循環。在標準再流焊爐中也要經歷類似的循環。主動干燥有可能引起封裝開裂、分層、鋁金屬變形以及連接失敗,這是由于封裝材料包含的各種物質的熱膨脹系數(CTE)不一樣的緣故。
 
主動加熱去濕的溫度曲線需要適當的溫度上升加熱階段和溫度下降冷卻階段來盡量減少對元件和電路板的熱沖擊。干燥爐的環境回到室溫所需要的時間限制了庫存器件從儲存室移出,接著,干燥爐又需要一個溫度上升時間回到干燥循環,庫存器件又經受另一個溫度循環。
 
監測
 
現在的一些制造執行軟件(MES)系統包括監控、識別和報警模塊,能夠提醒使用者注意潮濕敏感元件在時間上的限制。有效使用這些工具能夠防止過度潮濕造成的損害,組裝人員可以確認在整個過程中關鍵器件是不是妥善儲存和處理。有些供應商追蹤SMD所經歷的熱循環次數。
 
結論
 
本文討論了一個常常被忽視,卻能減少電路板缺陷的方法。這個方法的要點是適當處理元件和PCB。監控和糾正潮濕問題能夠減少或者消除與潮濕有關的缺陷,提高產品質量和收益。
 
只要在可移動超低濕度干燥柜上花點錢,把這些干燥柜放在制造車間的適當位置,就可以控制潮濕問題。生產車間收到潮濕敏感器件和電路板時,可以把它們放進可移動的干燥柜,送進儲存室,在組裝時把全套組件拿到生產車間。只在需要時,把同樣這些干燥柜移到組裝生產在線,把組件拿出來,從而減少器件暴露在周圍空氣、溫度和濕度之下。

滬公網安備 31011502007560號

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