Wilgoć w PCB: lekcja dla zaawansowanych (cz.3) Przegląd urządzeń do usuwania wilgoci

Próżniowe urządzenia do suszenia

Próżnia działa tylko wtedy, gdy cząsteczki wody znajdują się na powierzchni. Z tego względu, wykresy przedstawiające niskie temperatury wrzenia wody przy obniżonym ciśnieniu są mylące, ponieważ nic to nie daje. W najlepszym przypadku podciśnienie prowadzi do większej szybkości desorpcji. Podgrzewanie suszonego materiału w próżni jest też trudniejsze: konieczne są grzejniki płaszczowe lub płytowe, ponieważ przenoszenie ciepła poprzez konwekcję zasadniczo nie może odbywać się w próżni. Możliwy jest również proces z naprzemiennymi fazami ogrzewania i próżni.Wadą jest wysoki koszt złożonej technologii próżniowej, jednak zaletą jest unikanie utleniania w próżni, co chroni właściwości lutowalności powierzchni.

Niższa temperatura w piecu próżniowym przekłada się bezpośrednio na wolniejsze suszenie. Dopiero wzrost temperatury do 125°C prowadzi do podobnego tempa suszenia jak w przypadku innych technologii, przy czym ubytek masy jest mniejszy w pierwszych godzinach, co wynika z wolniejszego nagrzewania się suszonego materiału w próżni.

Rysunek 4: Porównanie czasu suszenia nieobsadzonego FR4 o grubości 1,5 mm w piecu próżniowym i piecu z wymuszonym obiegiem powietrza.

Rysunek 5: Porównanie pieca próżniowego z piecem z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 125°C.

Szafa do przechowywania w atmosferze suchej  

Szafy do przechowywania w atmosferze suchej [ang. drying cabinets, dry cabinets] osuszają powietrze w szafie za pomocą środków wiążących wilgoć. Za pomocą sterowania można ustawić różne poziomy wilgotności, np. 10/5/2/1% RF, a ciągła praca jest możliwa dzięki automatycznej regeneracji osuszacza. Zaletami są niskie koszty eksploatacji i brak stresu temperaturowego dla PCB. Oznacza to, że płytki drukowane mogą być również przechowywane w takim urządzeniu w ich oryginalnym opakowaniu.

W razie potrzeby temperaturę można zwiększyć do 45°C lub 60°C, co skutkuje znacznie szybszym suszeniem (większa prędkość dyfuzji i wyższy stopień desorpcji).

Rysunek 6: Krzywa suszenia w szafie do przechowywania w atmosferze suchej, 45°C/<1%RH po nasyceniu w klimacie 85/85 [5].

Rysunek 7: Suszenie FR4 o grubości 1,4 mm w szafie do przechowywania w suchej atmosferze [2].

Warto zwrócić uwagę na kilka interesujących aspektów (patrz Rysunek 7):

• Szafa do przechowywania w atmosferze azotu nie nadaje się do suszenia PCB.
• Poziom wilgotności w urządzeniu do suszenia ma wpływ na szybkość desorpcji.
• Duże znaczenie na proces suszenia ma temperatura, podwyższając współczynnik dyfuzji.
• Próbki nie były suszone przed nawilżaniem. Sucha masa jest zatem niższa niż masa początkowa, zawartość wilgoci jest ‘ujemna’.

Poniżej znajduje się Rysunek 9, opracowany przez autora noty aplikacyjnej Wurth na podstawie danych z Totech Europe BV, zawartych w opracowaniu ‘Reference Conditions for Drying PCB‘s’. Należy pamiętać, że czasy suszenia podane są w dniach.

Rysunek 8: Rekomendowany czas suszenia PCB w zależności od temperatury. 

Porównanie urządzeń do suszenia i wnioski

We wcześniejszych paragrafach artykułu omówiono funkcje, różnice w wydajności i parametrach poszczególnych typów pieców. Podsumowanie sprowadza się raczej do porównania między dwiema preferowanymi metodami suszenia, piecem z wymuszonym z obiegiem powietrza i szafą do przechowywania w atmosferze suchej.

Ponadto, ze względu na niskie prędkości dyfuzji w płytce drukowanej, podwyższona temperatura podgrzewania nie wystarcza do suszenia.

• Komory klimatyczne do testów, piece próżniowe i komory do przechowywania w atmosferze azotu nie nadają się do procesu suszenia odpowiadającego wymogom produkcji seryjnej a ponadto wiążą się z nimi wysokie koszty utrzymania.
• Suszenie w piecu z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 120°C jest bardzo wydajne i szybkie, ale powoduje duże obciążenie termiczne i starzenie się lutowanej powierzchni. Istnieje również ryzyko odkształcenia płytek drukowanych.
• Szafa do przechowywania w suchej atmosferze ‘...doskonale nadaje się do delikatnego suszenia komponentów’. [3] i stwierdzenie to dotyczy również płytek drukowanych, należy jednak zaplanować dłuższe czasy schnięcia. Szafa do przechowywania w atmosferze suchej jest również najlepszym wyborem do przechowywania wcześniej wysuszonych komponentów.

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] FED-Wiki, http://wiki.fed.de/fed-wiki/index.php/ Tempern, Internet Stand Mai 2009

[2] Fa. Totech, Präsentation „Moisture Sensitive Devices – a real production problem“, Gerhard Kurpiela, PDF, 2006

[3] Thermo Fisher Scientific Inc – Online Katalog

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

[5] Trocknen von Leiterplatten, G.Schubert et.al., PLUS 10/2009, S.2230ff