Wilgoć w PCB: lekcja dla zaawansowanych (cz.4). Proces osuszania.

Parametry procesu suszenia

Jak opisywano w poprzednich odcinkach cyklu o wilgoci w PCB, parametry suszenia powinny być uzależnione od wielu czynników:

• Ile wilgoci wchłonęła płytka PCB?
• Jakie proces suszenia powinien być zastosowany, aby naprężenia temperaturowe nie spowodowały uszkodzeń?
• Jakie są właściwości użytego materiału bazowego lub mieszanki zastosowanych materiałów?
• Jak wygląda projekt PCB pod względem parametrów pochłaniania wilgoci i możliwości suszenia?
• Grubość PCB
• Umiejscowienie i wielkość płaszczyzn miedzianych na PCB
• Rozkład warstw zasilających i uziemiających
• Wykończenie krawędzi
• Jaki jest dopuszczalny czas pozostawienia bez ochrony przed wilgocią?

Parametry suszenia podawane przez producentów PCB mogą być rozumiane jedynie jako wartości referencyjne lub przybliżone zalecenia, ponieważ zarówno sam projekt układu, jak i specyficzne warunki otoczenia, suszenia i lutowania, wraz z ustaloną logistyką, odgrywają decydującą rolę i zwykle nawet nie są znane producentowi PCB. W związku z tym, montażysta PCB musi określić parametry suszenia specyficzne dla produktu w następujący sposób:

1.Oznaczenie wrażliwości na wilgoć

Najpierw należy określić zawartość wilgoci, przy której płytka PCB ulega uszkodzeniu w konkretnym procesie lutowania. Opisana w IPC-1601A 3.3.6 wrażliwość konkretnego projektu na rozwarstwienie wywołane wilgocią można scharakteryzować za pomocą testu naprężeń termicznych. Preferowaną metodą badania naprężeń termicznych jest metoda opisana w  IPC-TM-650 2.6.27. Można przetestować różne cykle lutowania rozpływowego lub próbki mogą być poddawane cyklicznym naprężeniom termicznym aż do osiągnięcia punktu, w którym ulegną awarii, dostarczając użytecznych danych, definiujących okno procesowe danego projektu. W przypadku większości projektów, maksymalna dopuszczalna zawartość wilgoci (maximum acceptable moisture content, MAMC) będzie wynosić od 0,1% do 0,5%

wagi wilgoci w stosunku do wagi żywicy.

W tym miejscu należy raz jeszcze wyraźnie zaznaczyć, że warunkiem wstępnym suszenia jest odpowiedni układ miedzi. Duże powierzchnie miedziane muszą być przepuszczalne dla wilgoci przez przewidziane do tego celu otwory, o czym była mowa w poprzednich odcinkach cyklu.

2.Określenie profilu suszenia

Parametry procesu suszenia specyficzne dla układu można zdefiniować, określając ich krzywe suszenia. W tym celu, pozwala się na absorbcję wilgoci przez PCB, a następnie suszy się je w kontrolowany sposób, aż do momentu, w którym ich waga już się nie zmienia, co oznacza, że PCB jest zupełnie suche. Ważne jest, aby określenie parametrów odbywało się przy użyciu odpowiedniego i zaplanowanego do produkcji seryjnej sprzętu. Parametry suszenia powinny być tak dobrane, aby odpowiadały wymogom materiału i produkcji (należy wziąć pod uwagę między innymi starzenie się powierzchni lutowania).

3.Oznaczenie tempa wchłaniania wilgoci podczas przechowywania

Zaczynając od zupełnie suchej płytki PCB, określa się, jak szybko płytka PCB wchłania wilgoć. W tym celu można zastosować metodę opisaną w IPC-TM-650 2.6.28. Interpretując wyniki należy zauważyć, że wilgoć nie jest pochłaniana przez miedź czy włókna szklane. Zawartość wilgoci w żywicy można zatem obliczyć tylko wtedy, gdy znana jest masa miedzi i włókien szklanych, którą można odjąć od masy całkowitej.

Tak określony współczynnik absorpcji służy do określenia maksymalnego czasu, w którym PCB mogą być przetwarzane lub przechowywane bez ochrony przed wilgocią, a typowe zalecenie w tym zakresie to maksymalnie dwie godziny.

4. Wskazówki dotyczące temperatury

Badania wykazały również, że w przypadku żywic epoksydowych pewna ilość wilgoci może zostać usunięta jedynie powyżej Tg materiału podstawowego [1]. Zgodnie z naszą definicją z poprzedniego odcinka, nie mówimy w tym momencie o procesie suszenia, lecz raczej o temperingu, rozumianym jako hartowanie. Ponieważ jest to wilgoć związana chemicznie, nie ma ona wpływu na wrażliwość na wilgoć, opisaną w punkcie 1.

5. Czas suszenia, przerwy, czas oczekiwania.

W praktyce produkcyjnej nie są dostępne informacje o rzeczywistej wilgotności, ani masie suchych płytek PCB. Dzięki opisanemu powyżej procesowi w trakcie kwalifikacji serii, biorąc pod uwagę warunki otoczenia oraz przebieg procesu, w danym reżimie produkcyjnym  można określić wymagane czasy suszenia w codziennej praktyce produkcyjnej.

Poprzez przestrzeganie określonych procesów suszenia i sekwencji produkcyjnych, można uniknąć uszkodzeń podczas lutowania czy innych etapów produkcji o podwyższonej temperaturze. Obejmuje to również czas przerw i okresy oczekiwania, podczas których PCB nie są chronione przed wilgocią.

6. Rozmieszczenie PCB w piecu do suszenia

Oprócz temperatury i czasu suszenia istotne jest samo ułożenie suszonych PCB, które może być wręcz kluczowym szczegółem, wpływającym na efektywność suszenia.

Jeżeli PCB są suszone w stosie, to te znajdujące się w środku potrzebują więcej czasu, aby osiągnąć pożądaną temperaturę. W efekcie, stopień wysuszenia maleje im głębiej w stosie znajduje się płytka PCB. Różnice w jakości wyniku lutowania mogą być niezwykle duże, od całkowicie poprawnych płytek, do rozwarstwionych. Parametry procesu suszenia w stosie dotyczą zwykle sztuk, znajdujących się w jego środku. Jeśli z drugiej strony panele są suszone pojedynczo w pozycji pionowej w szczelinowej podstawce, wówczas każdą sztukę można szybko ogrzać, a desorpcja może odbywać się w optymalny sposób i cały proces suszenia jest bardziej wydajny.

Rysunek 1: Krzywe temperatury dla stosów 5 oraz 11 sztuk oraz umieszczonych pojedynczo w podstawce szczelinowej [2]

Im wyższy jest stos, a tym samym większa jego masa termiczna, tym wolniej się on nagrzewa. Co ciekawe, różnice temperatur między sztukami położonymi wewnątrz i na zewnątrz stosu są dość niewielkie.

Rysunek 2: Stopień wysuszenia PCB w przypadku podstawki szczelinowej oraz stosów  5 i 11 sztuk [2].

Wydajność suszenia w stosie 5 sztuk jest nieco niższa niż suszenia ich pojedynczo w podstawce szczelinowej, a wynik dla każdej sztuki jest stosunkowo jednolity. Jednak już w stosie 11 sztuk występują duże różnice pomiędzy poszczególnymi płytkami, czego konsekwencją musi być odpowiednio długi czas trwania procesu, tak aby w wystarczającym stopniu wysuszyć również wewnętrzne płytki i uzyskać jednolity wynik.

Należy też pamiętać o ryzyku deformacji w wysokich temperaturach, których kilka przykładów zamieszczono na poniższym rysunku:

Rysunek 3: Różne układy PCB w podstawce niosą ze sobą różne ryzyka odkształceń [3]

Artykuł powstał dzięki uprzejmości firmy Wurth Elektronik CBT International

Kontakt w Polsce: Tomasz.Renkiel@we-online.com

Żródło: Moisture Physics and Process of Drying of Printed Circuit Boards, © Wurth Elektronik

Żródła użyte w tekście:

[1] Moisture solubility and diffusion in epoxy and epoxy-glass composites, L.L.Marsh et.al., IBM J. RES. DEVELOP, Vol.28, No.6, Nov. 1984

[2] PCB materials behaviour towards humidity and baking impact on wettability, Walter Horaud, Vincent Vallat, Solectron, 2003, S.4 ff

[3] Umgang mit Starr-Flex, ein Anwenderbericht, FED Webinar, 10.3.2021, Esra Stoll, Basler