Usuwanie wilgoci z giętkich i sztywno-giętkich PCB

Największym wrogiem elektroniki jest wilgoć. Jest ona podstawowym czynnikiem powodującym korozję PCB, której mechanizm jest zbliżony do mechanizmu korozji powszechnie obserwowanego w naszym otoczeniu. Woda zawarta w materiałach zmienia ich wymiary, powoduje wypaczenia laminatu, delaminację warstw czy uszkodzenia otworów. Usuwanie wilgoci z laminatów może odbywać się z wykorzystaniem kilku podstawowych czynników fizycznych, tzn. podwyższonej temperatury, obniżonej wilgotności lub obniżonego ciśnienia. Parametry te można łączyć ze sobą wzmacniając efekt usuwania wilgoci. Przy planowaniu optymalnej techniki usuwania wilgoci należy uwzględnić parametry materiałowe oraz czas i koszt operacji. Brane pod uwagę laminaty mogą być nagrzewane do określonych temperatur, krytyczną tutaj jest między innymi temperatura zeszklenia. Dodatkowo, płytki drukowane mają powłokę finalną na polach lutowniczych, dla której podwyższona temperatura nie jest obojętna i przy której zarówno materiały polimerowe laminatów, jak i powłoka finalna podlegają przyśpieszonemu starzeniu. Do określenia czasu usuwania wilgoci dla różnych metod i parametrów wygrzewania dla aplikacji krytycznych wytypowano osiem prób z wykorzystaniem jednego lub dwóch czynników fizycznych mających przyśpieszyć czas usuwania cząsteczek wody z badanych materiałów.

Firma Semicon w ramach zrealizowanego projektu "Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach flex dla aplikacji krytycznych, Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0" wykonała prace badawcze, których celem było określenie wpływu wybranych metod osuszania płytek na proces usuwania wilgoci z płytek drukowanych FLEX, FLEX-RIGID, SEMI-FLEX. Wyniki badań opublikowano w najnowszym numerze prestiżowego czasopisma ‘Microelectronics Reliability’. Badania prowadził zespół z firmy Semicon Sp. z o.o. i Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytut Tele- i Radiotechniczny.

Celem badań było zbadanie skuteczności różnych metod usuwania wilgoci z obwodów drukowanych (PCB) w zależności od rodzaju PCB i parametrów procesu. Przedstawione wyniki są częścią prowadzonych badań nad absorpcją i desorpcją wilgoci. Dodatkowym celem jest znalezienie nowych rozwiązań zwiększających niezawodność elektroniki. Wyniki są przydatne dla całego rynku EMS, ponieważ ułatwiają wybór najbardziej odpowiedniej metody dla ich produktów. Początkowe warunki i parametry procesu dobierane są tak, aby zmniejszyć ryzyko związane z wygrzewaniem w wysokiej temperaturze, jednocześnie zapobiegając uszkodzeniom powodowanym przez wilgoć podczas lutowania.

Wyprodukowano płytki FLEX, RIGID-FLEX i SEMI-FLEX. Wszystkie PCB zostały nawilżone i poddane suszeniu w warunkach podwyższonej temperatury, obniżonej wilgotności lub obniżonego ciśnienia. Parametry ustalono biorąc pod uwagę charakterystykę materiału, czas procesu i koszt eksploatacji. Masę próbek mierzono przed i po wygrzewarzaniu w celu oceny usuniętej wilgoci. Największą szybkość usuwania zaobserwowano na początku suszenia. Okazało się, że zalecany czas to 8 godzin. Najskuteczniejszą metodą było wygrzewanie w wysokich temperaturach, należy jednak liczyć się z tym, że obróbka może skutkować mikrouszkodzeniami i starzeniem. Zaleca się ograniczenie powtórzeń procesu oraz przechowywanie PCB w temperaturze 20–25 °C i wilgotności poniżej 5% RH. Alternatywą jest wygrzewanie w obniżonym ciśnieniu i podwyższonej temperaturze lub zastosowanie komory beztlenowej z azotem i wilgocią poniżej 0,5 ppm.

Najważniejsze wnioski:

1. Czas usuwania wilgoci z FLEX/RIGID-FLEX/SEMI-FLEX PCB różnymi metodami suszenia nie przekracza 8 godzin.
2. 8-godzinne suszenie to kompromis pomiędzy chęcią usunięcia wilgoci resztkowej a wpływem wygrzewania na lutowność i niezawodność. W szczególności autorzy opracowania wskazują na negatywny wpływ wygrzewania płytek na wykończenia typu ImSm, ImAg oraz HAL, które mogą stracić lutowność. Nieco bardziej odporne są wykończenia ENIG, ENEPIG oraz ENIPIG, jednak również i w tym przypadku przypadku wygrzewanie płytek w temperaturze 125-130°C niewątpliwie przyśpiesza ich starzenie.
3. Wilgotność 5% RH znacznie spowalnia proces usuwania wilgoci z PCB w temperaturach powyżej 100°C.
4. Obniżone ciśnienie w podwyższonej temperaturze (suszenie w komorze beztlenowej) jest alternatywą dla wygrzewania w temperaturze 100°C
5. Suszenie w próżni jest trzykrotnie tańsze niż wygrzewanie, którego koszt jest zbliżony do suszenia w komorze azotowej.
6. Suszenie w komorze klimatycznej jest do dziesięciu razy droższe niż suszenie w komorze do wygrzewania.