Sušení desek plošných spojů
Autoři : G. Schubert , Th. Schönfeld, A. Friedrich, SMT & HYBRID GmbH, Vzniklo ve spolupráci s TOTECH EU – Super Dry
1. Úvod -natištěné desky plošných spojů jako součástky citlivé na vlhkost
Před výzkumem spočívají ještě následující cíle popsané níže :
Deska plošných spojů je integrovanou strukturou z kovu a plastu. Protože
nejpoužívanější součástky jsou uzavřeny v plastu, absorbují vodu. Když jsou rychle ohřívány, např. při
technologii pájení, je všeobecně známo, že obsažená voda se odpařuje tak prudce, až dochází k destrukci.
Základním předpokladem před procesem pájení desky je tedy její vysušení.
Výrobci desek plošných spojů dosud významně váhají poskytovat doporučení k
vysoušení jejich produktů. Informace uveřejněné v ZVEI [1] bývají také nedostatečné. Základním problémem je
vysoká teplota doporučovaná pro zahřátí. Pokud je použita, dochází k delaminaci a poškození
desek. Dále může vznikat i koroze a formování intermetalických fází kovových povrchů.
Následující pozorování zjišťují, zda při šetrném sušení při teplotách 45°C nebo
60°C, a při nízké relativní vlhkosti lze dosáhnout stejných výsledků jako při sušení při vysokých teplotách.
Průmysl dnes nabízí sušící kabinety, které jsou vhodné pro rychlé sušení při
relativní vlhkosti pod 1%.
2. Standardy a doporučení pro sušení součástek
Standard IPC/JEDECJ-STD-033B.1 („Manipulace, balení, odesílání a rozmístění
součástek citlivých na vlhkost pro povrchovou montáž“ [2]), nabízí řadu alternativ pro zahřívání/sušení
součástek. Rozsah je rozšířen od nízkých až po vysoké teploty. Nehledě na závislost tloušťky plastu
okolo čipu, doby regenerace při výrobních podmínkách, je nad veškerá určení třída vlhkosti.
Mezi dalšími faktory, na které by mělo být poukázáno, je, že zahřívání při
vysokých teplotách >125°C / <5%RH v peci, již vede ke kontaktní korozi a formování intermetalických fází
kovových povrchů. A vystavení desek takové teplotě po dobu delší než 96 hodin způsobuje škodu, která vzbuzuje
pochybnost o možnosti pájení v dostatečně vysokém standardu.
3. Sušící metody testované na součástkách QFP100
Jako standardní součástka byl první testován typ -QFP 100. Zajímavé byly
výsledky odpařování při použití
různých metod zahřívání a sušení. Použity byly následující metody:
1. Sušení v peci při 125°C
2. Sušení v N2 kabinetu při 20°C/ <1% RH
3. Sušení ve vakuovém kabinetu při 10 mbar
4. Sušení v klimatizované komoře při 40°C/7% RH
5. Sušení v klimatizované komoře při 80°C/7% RH
6. Sušení v sušícím kabinetu při 45°C/< 1% RH
7. Sušení v sušícím kabinetu při 60°C/< 1% RH
Přibližně 50 vzorků bylo nejprve zvlhčeno do bodu nasycení v klimatizované
komoře při 85°C/85% RH.
Změny obsahu vlhkosti byly určeny ve všech třídách zvážením na velice precisních
vahách (přesnost 0,01g).
Když bylo asymptoticky dosaženo určeného bodu, započalo sušení. Úbytek vlhkosti
byl vyjádřen procentní
změnou minimální hmotnosti.
Graf níže ukazuje výsledky výzkumu
Obr.1 Různé sušící metody při použití QFP100 jako vzorku -
zvětšit
Srovnání N2 kabinetu, vakuového kabinetu a klimatizované komory při 40°C/7% RH
ukazuje pouze mírný
propad sušící křivky, a proto pro skladování (udržování při výrobní prodlevě) je
nejvhodnější použití N2
kabinetu. Další skupina (sušící kabinet při 45°C/<1%RH, sušící kabinet při
60°C/<1%RH a klimatizovaný
kabinet při 80°C/<7%RH) dociluje dobrých sušících vlastností, a proto
představuje nejzajímavější skupinu
sušících metod, zatímco sušící kabinet byl vyloučen pro vysokou energetickou
náročnost. Sušící kabinet
nabízí fyzickou proceduru a zařízení, kdy vlhkost (voda) je z okolí součástek
odebírána prostřednictvím
rekuperační jednotky. Tím představuje vynikající kabinet s izolací stěnami. To
umožňuje kabinetu používat
teplotu sušení až 65°C s poměrně nízkým teplotním únikem. Ve fázi zotavování je
vlhkost (voda) odváděna
mimo rekuperační jednotku do okolního prostředí. SMT&HYBRID, sušící kabinet
pracuje při 45°C a teplota
stoupá až k 60°C.
Křivky sušení naznačují, že významně rychlejší sušení
je možné i při 60°C. Teplota v peci 125°C představuje
extrémně rychlou sušící metodu, která však už je na
limitu a není takovou šetrnou metodou, jaká je
popsána výše. Bezpochyby teplota 125°C představuje
nejprudší nárůst teploty. Pokud je to nezbytné
mohou být součástky ohřáty nanejvýše na 125°C, a to
v případě rychlých výrobních dávek. Pozornost musí
být věnována tomu, aby kumulovaná doba ohřevu
nepřekročila 96 hodin, bez ohledu na jakékoliv další
okolnosti [2]. To znamená, že musí být vedena
dokumentace během sušení. Absorbce vlhkosti a
sušení jsou difúzní procesy a musí odpovídat
zákonům o molekulární difúzi [2].
Teoretická pozorování existují, avšak mohou být jen
málo použita k určení doby sušení. Je proto potřeba
použít zjednodušený postup. Pro sušení je
předpoklad, že procento zmenšení hmotnosti by se
mělo rovnat přinejmenším 0,1% hmotnosti sušiny [3].
Jako adekvátní kritérium pro sušení je uvažován
potřebný čas. Ve výrobní praxi není hodnotícím
kritériem pro dobu sušení ani procento počáteční
hmotnosti, ani minimum hmotnosti, ale spíše čas,
který je k dispozici při srovnávacím testu pro sušení.
Tento čas byl definován jako doba sušení.
Obr. 2: XSD 1404 -sušící kabinet (výrobce Totech)
4. Pokusy při sušení desek plošných spojů
Za prvé -je nezbytné zkusit rozvinout základní metody sušení desek plošných
spojů prostřednictvím desek
speciálně použitých při těchto pokusech. Zkoumání zde -byť s omezeným spektrem
velmi specifických
desek představujících pouze začátky experimentů -umožňuje vyvodit odpovědi na
některé základní otázky.
Po předběžných pokusech popsaných výše byly vybrány experimenty uskutečněné v
sušícím kabinetu při
45°C/<1%RH, a také při 60°C/<1%RH, a odpovídajícímu zahřívání, kdy teplota v
peci byla 130°C/<5%RH.
Metodika byla zachována, jak bylo popsáno výše.
Byly použity následující desky plošných spojů od jediného výrobce:
1. FR4 tuhé desky plošných spojů 0,4 tloušťka
2. Poddajné třívrstvé desky plošných spojů 0,3 tloušťka
3. Tuhé-ohebné desky plošných spojů 0,3/1,4 tloušťka
4. Tuhé dvojvrstvé desky plošných spojů FR4 1,6 tloušťka
5. QFP 100 -porovnávací vzorek
Desky plošných spojů byly umístěny do speciálních nosičů nebo do výrobních
držáků příslušných tvarů.
Zvlhčení bylo provedeno stejným způsobem, jak bylo popsáno výše.
Sušení bylo následně provedeno v předem definovaných podmínkách.
Křivky sušení při 45°C/ <1% relativní vlhkosti jsou na Obr. 3.
Obr. 3: Křivky sušení při 45°C/<1% RH
Křivky sušení při 45°C/<1% RH naznačují závislost na typu desky, kdy se mění
hmotnost o 0,1% od doby
sušení 120 hodin až po 260 hodin. Výsledky sušení byly shrnuty do barového grafu
na Obr.4.
Obr. 4: Specifický čas pro sušení desek plošných spojů
Z uvedených čárových grafů lze zjistit tyto poznatky :
Sušení čtyř různých typů desek plošných spojů v sušícím kabinetu a v peci
ukazuje, že tři metody sušení
desek (při 45°C/<1% RH, při 60 °C/<1% RH a při 130°C/ 5% RH) jasně demonstrují
soustavné prodlužování
doby sušení, a to podle tloušťky desky a podle podmínek sušení.
Následující vzájemný základní vztah může být odvoditelný:
1. Ohebný (polyimid) < 0.4 mm 45 °C/<1% RH -150 h 60 °C/<1% RH -82 h
2. Tuhý-flexibilní (ohebný polyimid) <1.4/0.3mm 45 °C/<1% RH -300 h 60 °C/<1% RH
-150 h
Sušení při 130 °C způsobilo deplanaci u všech typů desek, což neospravedlní ani
použitá sušící metoda.
Zjištěno i vnitřní poškození desek, což bylo celkem očekáváno. Navíc u této
metody musí být jednotlivé
desky při sušení umístěny přesně ve vodorovné poloze.
Sušení při 130 °C může způsobovat problémy při sušení větších výrobních dávek.
5. Závěr
Různé metody tepelného ošetření součástek reprezentují úvodní zkoušky, které
měly sloužit k nalezení
vhodné metody sušení. Ty ukážou následující vlastnosti:
1. Uskladnění v dusíku, uskladnění v klimatizované testovací komoře při 40°C/7 %
RH a ošetření v komoře
s vakuem 10 mbar nemá žádný sušící účinek. Dusíková skříň je vhodná jen pro
uskladnění.
2. Uskladnění v klimatizované testovací komoře při 80°C/7% RH, v suché skříni
při 45°C/<1% RH, a nebo v
suché skříni při 60°C/<1% RH demonstrovalo různý sušící účinek. Klimatizovaná
testovací komora je
nevhodná vzhledem k vysoké spotřebě energie na straně jedné, a k vysokému stupni
technického vybavení,
a tím k jeho vysoké ceně na straně druhé. Zatímco suchá skříň, ovládaná
rekuperační jednotkou, je dobře
uzpůsobena k velice šetrnému sušení součástek.
3. Uskladnění při 125°C vykazuje nejkratší dobu sušení, avšak je nevhodné kvůli
poškození pájených desek.
Sušení čtyř různých druhů desek v suché skříni a v peci ukazuje, že tři metody
sušení (při 45°C/<1% RH, při
60°C/<1% RH a při 130°C/5% RH) ukazuje viditelně soustavné prodlužování doby
sušení podle tloušťky
desek a podmínek sušení.
Následující vzájemný základní vztah může být odvoditelný:
1. Ohebný (polyimid) < 0,4 mm 45°C/<1% RH -150 h 60°C/<1% RH -82 h
2. Tuhý-flexibilní (ohebný polyimid) <1,4/0,3mm 45°C/<1% RH -300 h 60°C/<1% RH
-150 h
Sušení při 130 °C způsobilo deplanaci u všech typů desek, což neospravedlní ani
použitá sušící metoda. Tyto
výsledky odrážejí podmínky pro zkoušené specifické desky a mohou být
zevšeobecněny pouze za
předpokladu dostatečného statistického podložení.
6. Použitá literatura
[1] Richtwerte / Empfehlung des ZVEI, Fachverband der Leiterplattenindustrie ,
[2] IPC/JEDEC J-STD-033B.1 „Handhabung, Verpackung, Versand und Einsatz
feuchtikeits/reflowempfindlicher Bauelemente“ ,
[3] Gerhard Kurpiela, Totech Europe BV, „Besonderheiten bei der Lagerung
bleifreier Bauelemente“
7. Poděkování
Náš speciální dík patří společnosti AT&S za zapůjčení desek plošných spojů.
Sušící kabinety XSD s rekuperační jednotkou vyrábí firma :
TOTECH EU
De Linge 28
NL-8253 PJ Dronten
Tel. +31 321 330239
www.totech.eu.com
a do České republiky a na Slovensko výhradně dodává firma :
AMTECH, spol. s r.o.
201007250327.7.2010EMS - výroba a servisAMTECH spol. s r. o.