Wpływ wilgoci na elementy elektroniczne podczas procesu montażu (MSD) w firmach EMS

W dzisiejszym szybko rozwijającym się przemyśle elektronicznym, gdzie miniaturyzacja i zwiększanie gęstości komponentów stanowią główne trendy rozwojowe, problematyka kontroli wilgoci w procesach produkcyjnych nabiera coraz większego znaczenia. Firmy EMS (Electronic Manufacturing Services) stoją przed wyzwaniem zapewnienia wysokiej jakości produktów przy jednoczesnym zachowaniu efektywności kosztowej, co wymaga dogłębnego zrozumienia i kontroli wszystkich czynników mogących wpływać na niezawodność wytwarzanych urządzeń elektronicznych.

Problematyka wrażliwości na wilgoć staje się coraz większym problemem niż wcześniej, co jest napędzane wieloma czynnikami, w tym zwiększoną wrażliwością spowodowaną wyższymi temperaturami rozpływu przy lutowaniu bezołowiowym, ciągłą redukcją grubości obudów i rozstawu wyprowadzeń, zwiększonym użyciem tworzyw sztucznych zamiast droższych materiałów hermetycznych, oraz wyższą produkcją mieszaną (high mix - low volume), gdzie pojedyncze opakowania komponentów potrzebują więcej czasu na pełne zużycie, co daje komponentom więcej czasu na absorpcję wilgoci.

1. Charakterystyka MSD i mechanizm uszkodzeń

1.1 Definicja i zakres zjawiska

MSD to komponent elektroniczny, który z uwagi na swoją budowę i zastosowane materiały, może chłonąć wilgoć z otoczenia. Kiedy zostanie poddany procesom wysoko temperaturowym, uwięziona wewnątrz wilgoć zaczyna się rozszerzyć i powodować wewnętrzne oraz zewnętrzne uszkodzenia. Zjawisko to dotyczy przede wszystkim elementów montowanych powierzchniowo (SMD - Surface Mount Devices), szczególnie układów scalonych w obudowach plastikowych.

1.2 Wpływ miniaturyzacji na nasilenie problemu

Postępująca miniaturyzacja elementów elektronicznych znacząco potęguje problem MSD. Współczesne komponenty charakteryzują się:

• Mniejszymi wymiarami obudów - co oznacza cieńsze ścianki i większą wrażliwość na naprężenia termiczne.
• Węższymi tolerancjami produkcyjnymi - każde nawet minimalne uszkodzenie może wpłynąć na funkcjonalność.
• Coraz większe funkcjonalności układów elektronicznych – wraz ze zwiększeniem funkcji zwiększa się ilość wewnętrznych struktur elementów.
• Niższymi profilami - co zwiększa podatność na deformacje podczas procesów termicznych.

1.3 Mechanizm uszkodzenia elementu

Kluczem do zrozumienia problematyki MSD jest fakt, że samo zawilgocenie komponentu nie powoduje jeszcze uszkodzenia. Destrukcyjne efekty występują dopiero w momencie narażenia zawilgoconego komponentu na wysoką temperaturę, która powoduje gwałtowną przemianę fazową zaabsorbowanej wilgoci.

Szczegółowy przebieg procesu uszkodzenia

Faza 1: Absorpcja wilgoci (proces powolny)

Komponenty przechowywane w środowisku o podwyższonej wilgotności względnej absorb­ują cząsteczki pary wodnej przez:

• Mikroporowate materiały obudowy (głównie tworzywa sztuczne)
• Połączenia różnych materiałów
• Mikroszczeliny powstałe podczas produkcji lub starzenia

Proces ten przebiega powoli (godziny/dni) i jest odwracalny w niskiej i kontrolowanej temperaturze.

Faza 2: Aktywacja termiczna (proces gwałtowny)

Kluczowa faza rozpoczyna się w momencie narażenia zawilgoconego komponentu na wysoką temperaturę podczas procesu lutowania. Temperatura jest czynnikiem uruchamiającym destrukcję poprzez gwałtowny wzrost ciśnienia z uwagi na przejście wilgoci ze stanu płynnego w lotny:

Faza 3: Ekspansja pary i powstawanie naprężeń

Po przekroczeniu temperatury wrzenia następuje:

• Gwałtowna ekspansja objętości - para wodna zajmuje ~1700 razy więcej miejsca niż woda w stanie ciekłym.
• Wzrost ciśnienia wewnętrznego - para wodna nie może swobodnie ulatniać się z zamkniętych przestrzeni w obudowie.
• Koncentracja naprężeń - największe naprężenia występują w miejscach o najmniejszej wytrzymałości mechanicznej.

Faza 4: Mechanizmy zniszczenia

Para wodna, starając się wydostać z komponentu, niszczy jego struktury poprzez:

• \\\"Popcorning\\\" - gwałtowne pękanie obudowy z charakterystycznym dźwiękiem, przypominającym pękanie popcornu
• Delaminację warstw - oddzielanie się poszczególnych warstw materiałów kompozytowych na interfejsach o słabym połączeniu
• Mikropęknięcia połączeń wewnętrznych (wire bondów) - uszkodzenia połączeń między chipem a wyprowadzeniami spowodowane deformacjami obudowy
• Pęknięcia matryc (die) - uszkodzenia samego chipu w wyniku naprężeń przekazanych przez obudowę

Czynniki wpływające na intensywność uszkodzenia

Kluczowy wniosek: Uszkodzenie MSD jest wynikiem synergii dwóch czynników - zawilgocenia i temperatury. Bez jednego z tych czynników uszkodzenie nie wystąpi.

2. Podstawowe pojęcia związane z MSD

2.1 Kluczowe definicje

Floor Life – najważniejszy parametr, gdyż wskazuje skumulowany czas ekspozycji MSD na warunki środowiskowe (≤30°C/60%) przed lutowaniem reflow a po wyjęciu ze szczelnego opakowania. Otwarcie MBB wskazuje początek odliczania floor life. Po otwarciu MBB wszystkie zawarte w nim opakowania SMD muszą być wykorzystane do lutowania reflow przed upływem określonego na podstawie MSL floor life.

3. Skutki MSD na komponenty

3.1 Rodzaje uszkodzeń spowodowanych przez MSD

Absorpcja i zatrzymywanie wilgoci wewnątrz elementów MSD, a następnie poddanie ich działaniu bardzo wysokiej temperatury powoduje liczne problemy. Uszkodzenia można podzielić na widoczne i ukryte:

Wyzwania w wykrywaniu uszkodzeń

Wiele defektów MSD, takich jak mikropęknięcia lub popcorning, nie są łatwo identyfikowalne, ponieważ występują wewnątrz obudowy lub są widoczne pod lupą podczas inspekcji. W niektórych przypadkach elementy mogą działać, lecz mieć znacznie obniżoną żywotność. Skutkuje to tym, iż produkty z takim elementami, które przeszedł pozytywnie testy walidacyjne, bardzo szybko wracają z rynku powodując reklamację.

Uszkodzenia związane z zaabsorbowaną wilgocią elementów MSD często są zaniedbywane ze względu na fakt, że poza najbardziej oczywistymi przypadkami, często mogą być całkowicie niewidoczne i niezauważone.

4. Metody detekcji zawilgoconych komponentów

4.1 Dostępne metody monitorowania

Monitoring czasu ekspozycji - śledzenie czasu, przez który komponent pozostaje w określonych warunkach środowiskowych od momentu rozpakowania.

Wskaźniki wilgotności (HIC) - karty umieszczane w opakowaniach komponentów wraz z pochłaniaczem wilgoci, które określają poziom wilgoci, na który zostały narażone urządzenia wrażliwe na wilgoć.

Systemy automatyczne - zautomatyzowane systemy kontroli, które pozwalają producentom i montażystom elektroniki zarządzać czasem opakowania. Wykorzystują technologię automatycznego zbierania danych, taką jak kodowanie kreskowe i identyfikację radiową. Zautomatyzowane systemy eliminują potrzebę ręcznych procedur, takich jak identyfikacja MSD, wypełnianie arkuszy ewidencyjnych i wprowadzanie obliczeń czasowych, które są czasochłonne i podatne na błędy ludzkie.

5. Normy dotyczące MSD

5.1 Kluczowe standardy

5.2 Klasyfikacja MSL zgodnie z J-STD-020

MSD są klasyfikowane w 8 kategoriach. Poziom Wrażliwości na Wilgoć (MSL) zawiera się w przedziale 1-6. Wraz z poziomem wrażliwość na wilgoć wzrasta a floor life maleje. Elementy o MSL=1 są traktowane jako niewrażliwe na wilgoć z otoczenia i wobec nich nie muszą być stosowane żadne zabezpieczenia. 

6. Metody przeciwdziałania zjawisku MSD

6.1 Podstawowe środki ochrony

Odpowiednie opakowania komponentów - komponenty MSD, po wygrzaniu muszą być umieszczone w szczelnej torbie barierowej przeciw wilgoci (MBB) z pochłaniaczem wilgoci i kartą wskaźnikową wilgotności (HIC).

Kontrola środowiska fabrycznego - ważne jest zapewnienie, że wszystkie obszary fabryki, gdzie elementy MSD są narażone na środowisko, są kontrolowane na poziomie <30°C i <60% RH. Narażenie na środowisko oznacza wyjęcie elementu z Moisture Barrier Bag (MBB) lub specjalnych urządzeń takich jak szafa azotowa, lub szafa o obniżonej wilgotności.

Szafy o obniżonej wilgotności (Dry Cabinets) – wysokiej klasy szafy o obniżonej wilgotności, które potrafią utrzymać stabilnie wilgotność względną na poziomie nie wyższym niż 5%. Powoduje to znaczne wydłużenie współczynnika Flor Life. Wilgoć absorbowana jest przez środek osuszający, a następnie odparowywana i uwalniana na zewnątrz szafy suchej.

Szafy azotowe – systemy, które umożliwiają przechowywanie elementów MSD w otoczeniu azotu. W takich szafach tlen jest sukcesywnie usuwany, a w jego miejsce wpompowywany jest azot, dzięki czemu komponenty w takim środowisku mogą przebywać prawie bezterminowo.

Systemy automatycznego śledzenia  - zaawansowane systemy informatyczne, które umożliwiają ciągły monitoring parametru Flor Life dla każdego opakowania. Zliczają one każdy czas ekspozycji elementu oraz decydują czy nadaje się on do ponownego użycia, czy wymaga procesu wygrzania.

7. Wykrywanie zawilgocenia i wygrzewanie

7.1 Wskaźniki wilgotności (HIC)

Najczęściej stosowane karty wskaźnikowe wilgotności zmieniają kolor z niebieskiego (poniżej wskazanego poziomu RH) na różowy (powyżej wskazanego poziomu RH).

Rodzaje kart HIC według standardów

Przykład karty HIC

7.2 Bieżąca analiza czasu ekspozycji

Zarówno w przypadku zaawansowanych systemów IT jak i prostych systemów manualnych śledzenie parametru czasu ekspozycji jest dobrym wskaźnikiem czy element może być użyty do produkcji czy nie. Oczywiście w przypadku rozwiązań automatycznych ryzyko pomyłki jest minimalne bo każde otwarcie i zamknięcie opakowania jest rejestrowane a sam FL jest na bieżąco analizowany. W przypadku kiedy zbliża się maksymalny czas ekspozycji system blokuje opakowanie do czasu kiedy element nie zostanie wygrzany. W przypadku rozwiązań manualnych wszystko opiera się na ręcznych zapisach co rodzi duże ryzyko pomyłki a sam sygnał do ponownego wygrzania zależy tylko i wyłącznie od czujności operatora.

Oczywiście nawet jeżeli element ma przekroczony czas ekspozycji, to nie oznacza że jest on zawilgocony bo to zależy choćby od wilgotności otoczenia w którym się znajduje ale dobrą praktyką w takiej sytuacji jest prewencyjne wygrzewanie elementu.

7.3 Procedury przywracania używalności (wygrzewanie)

Suszenie konwekcyjne – proces usuwania wilgoci z elementu, choć z pozoru prosty, jest bardzo złożony bo zależy od wielu elementów. Cześć z nich zależy od samego komponentu (np. grubość lub formę opakowania w której jest dostarczany) a część technologicznych możliwości producenta lub montażysty (zdolność do przepakowania elementu w inna formę opakowania). Proces osuszania docelowo wykonuje się w temperaturze 125°C przez okres od 7 do nawet 48 godziny. Jednakże jeżeli mamy do czynienia z komponentem, który jest dostarczony w taśmie a montażysta nie ma możliwości przepakowania go, czas ten ulega drastycznemu wydłużeniu bo maksymalna, bezpieczna temperatura jaką wytrzymują plastikowe rolki to 50-60 stopni. Przekroczenie jej powoduje deformacje rolek a co za tym idzie uniemożliwia płynne pobieranie elementu przez maszynę P&P.

7.4 Parametry suszenia według J-STD-033D

Pełna tabela czasu wygrzewania elementu w zależności od grubości obudowy oraz temperatury znajduje się poniżej. Umieszczone w niej wartości dotyczą sytuacji kiedy parametr FL jest przekroczony o ponad 72 godziny. 

W przypadku wygrzania w zakresie od 91 do 125 stopni należy pamiętać iż łączny czas tej operacji nie może przekroczyć 96 godzin z uwagi na ryzyko pojawienia się po tym czasie procesów utleniania.

Wygrzewanie powyżej 150 stopni jest dopuszczalne lecz należy to uprzednio skonsultować z producentem komponentu.

8. Plan kontroli i weryfikacji MSD jako podstawa działania firmy EMS

8.1 Główne punkty dokumentu:

1. Cel dokumentu

• Zapewnienie odpowiedniego zarządzania komponentami MSD w celu zapobieżenia uszkodzeniom mechanicznym i/lub elektrycznym podczas montażu.

1. Zakres

• Komponenty elektroniczne klasyfikowane jako MSD zgodnie z normą IPC/JEDEC J-STD-033.
• Procesy: magazynowanie, rozpakowywanie, suszenie, montaż, rework, utylizacja.

1. Odniesienia do norm i dokumentów

• IPC/JEDEC J-STD-033
• IPC/JEDEC J-STD-020 (Reflow Profiles)
• Instrukcje wewnętrzne firmy

1. Definicje i klasy MSD

• Klasyfikacja poziomów wrażliwości na wilgoć (MSL – Moisture Sensitivity Level 1–6)
• Znaczenie oznaczeń na opakowaniach

1. Odpowiedzialności

• Operator SMT
• Kontrola jakości (QC)
• Inżynier procesu
• Magazynier / Logistyka

1. Procesy zarządzania MSD

• Odbiór i inspekcja komponentów MSD
• Sprawdzenie opakowania próżniowego, wskaźników HIC, żelu osuszającego
• Rejestracja daty otwarcia opakowania
• Użycie etykiet MSD, logów otwarcia

1. Przechowywanie komponentów MSD

• Warunki przechowywania (temperatura, wilgotność)
• Użycie suchych szaf (dry cabinets) lub pieców do wypalania

1. Czas ekspozycji po otwarciu (Floor Life)

• Czas, w jakim komponent może być wystawiony na warunki otoczenia przed montażem
• Działania po przekroczeniu czasu (suszenie / bake-out)

1. Suszenie komponentów

• Parametry pieca (temperatura, czas)
• Ewidencja procesu suszenia
• Ograniczenia liczby cykli suszenia

1. Monitorowanie i kontrola warunków otoczenia

• Pomiar temperatury i wilgotności w strefach SMT
• Zapisy i alarmy z dry cabinets

1. Etykietowanie i dokumentacja

• Oznaczenia MSL, daty otwarcia, daty ważności komponentu
• Karty kontrolne i rejestry

1. Postępowanie z komponentami po reworku

• Klasyfikacja i dalsze zarządzanie odzyskanymi komponentami MSD

1. Szkolenia personelu

• Zakres i częstotliwość szkoleń dla operatorów i personelu magazynowego

1. Audyt i weryfikacja zgodności

• Okresowe audyty procesu MSD
• Zapisy niezgodności i działania korygujące

1. Załączniki

• Formularze: karty MSD, logi otwarcia, checklisty
• Przykładowe etykiety MSD
• Schematy przepływu procesu (flowcharts)

Podsumowanie

Problematyka MSD stanowi krytyczny element zarządzania jakością w nowoczesnych firmach EMS.

Właściwe zarządzanie i przechowywanie urządzeń wrażliwych na wilgoć stanowi niewielką część całych procesów produkcyjnych, jednak wpływ uszkodzeń wilgoci spowoduje znaczący wpływ na jakość i niezawodność produktu.

Skuteczne zarządzanie MSD opiera się na trzech fundamentalnych filarach: dogłębnym zrozumieniu fizycznych mechanizmów oddziaływania wilgoci na komponenty zgodnie z udokumentowanymi standardami IPC/JEDEC, wdrożeniu odpowiednich rozwiązań technicznych i organizacyjnych oraz ciągłym monitoringu i doskonaleniu procesów. Umieszczenie wymagań MSD w Planie Kontroli pomoże zapewnić zgodność z wewnętrzną obsługą i przechowywaniem MSD, a także dostarczy użytkownikom końcowym najbardziej niezawodny produkt.

Autor: Mariusz Michałowski, Dyrektor Produkcji w TSTRONIC

Mariusz Michałowski od 18 lat związany jest z TSTRONIC, gdzie jako Dyrektor Produkcji odpowiada za organizację i skuteczność procesów produkcyjnych. Absolwent studiów MBA, stawia na usprawnianie procesów, sprawne zarządzanie zespołem i egzekucję celów operacyjnych. Prywatnie entuzjasta sportu, który energię z treningu przekłada na skuteczność w działaniu w firmie.

www.tstronic.eu