Wilgoć w PCB: lekcja dla zaawansowanych (cz.3) Przegląd urządzeń do usuwania wilgoci
Trzecia część cyklu omawiającego szczegółowo aspekty wilgoci obecnej w PCB skupia się na rozważeniu zalet i wad różnych typów urządzeń, służących do jej usuwania.
W przypadku procesu suszenia należy wziąć pod uwagę zarówno usuwanie wilgoci na zewnątrz PCB, jak i zjawisko dyfuzji wilgoci do wnętrza PCB. Sprowadzone do zasadniczych wartości fizycznych, wszystkie procesy suszenia różnią się jedynie następującymi parametrami:
• Temperatura otoczenia i transfer temperatury na suchy materiał. Temperatura ma duży wpływ na szybkość dyfuzji w PCB.
• Wilgotność i możliwość osuszania. Im niższa wilgotność panuje w urządzeniu do suszenia, tym wyższy jest stopień desorpcji z powierzchni PCB. Im niższa zawartość wilgoci została wcześniej wchłonięta przez PCB, tym szybciej można osiągnąć pożądany jej poziom.
• Czas schnięcia, który jest wypadkową temperatury i wilgotności w procesie suszenia.
Niezależnie od procesu suszenia należy zwrócić szczególną uwagę na czystość, ponieważ zanieczyszczenia takie jak osady kondensacyjne w piecu mogą osadzać się na powierzchni PCB i znaczącym stopniu pogarszać lutowność powierzchni.
Przez ‘suszenie’ powszechnie rozumie się usuwanie wilgoci, podczas gdy termin tempering oznacza ‘wystawienie materiału na działanie podwyższonej temperatury’, ‘proces prowadzący do zmiany właściwości materiałowych ciał stałych. W technologii płytek drukowanych tempering jest stosowany ... w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych, które przejawiają się w postaci wypaczania i skręcania’ [1], a więc ma znaczenie podobne do ‘hartowania’. Do temperingu należy dobierać temperatury powyżej temperatury zeszklenia Tg żywic, natomiast suszenie odbywa się zwykle w niższych temperaturach, poniżej Tg. W języku angielskim często występuje również termin ‘wygrzewanie’ [ang. baking, pre-baking] (na przykład IPC-1602).
Rysunek 2: Przykład małej suszarki z obiegiem powietrza [3].
Urządzenia do suszenia powietrzem cyrkulacyjnym
Piec do suszenia z wymuszoną konwekcją zapewnia zarówno dobre przenoszenie ciepła na suszony materiał, jak i dobrze usuwa wilgoć z powierzchni suszonego materiału (o ile powierzchnia nie jest niczym zasłonięta). Ze względu na szybki przepływ ciepła, urządzenia te są bardzo wydajne i są używane zarówno do suszenia, jak i temperingu, tj. hartowania. Dzięki dopływowi świeżego powietrza i kierowanemu wywiewowi wilgotność powietrza może być utrzymywana na niskim poziomie (IPC-1602 3.4.2 wskazuje, iż dopuszczalne jest maksymalnie 5%RH). Poniższy Rysunek 1 przedstawia standardową krzywą suszenia identycznych PCB w różnych temperaturach w piecu z obiegiem powietrza.
Istnieje duża różnica między 80°C a 125°C, jednak dalszy wzrost temperatury, do 150°C, praktycznie nie przynosi poprawy, a znacznie zwiększa obciążenie temperaturowe. Zasadniczym zagrożeniem jest ryzyko deformacji PCB w tak wysokich temperaturach. ‘Suszenie w temperaturze 130°C spowodowało wypaczenie wszystkich rodzajów PCB...’ [3]. Kolejną wadą jest to, że płytki drukowane muszą ostygnąć po wyjęciu z gorącego pieca, zanim będą mogły zostać przeniesione do maszyn montażowych.
Rysunek 1: Krzywe suszenia w różnych temperaturach [2]
Rysunek 3: Porównanie współczynników czasu schnięcia przy różnych poziomach temperatury [4].