Wilgoć w PCB: lekcja dla zaawansowanych (cz.1)
Pierwsza część cyklu, szczegółowo omawiającego kompletne spektrum zagadnień, związanych z wilgocią w PCB. W tej części przedstawiono fizyczny mechanizm absorbcji wilgoci oraz główne czynniki, wpływające na łatwość jej przenikania do wnętrza PCB.
Co można zrobić aby osiągnąć równowagę wilgoci?
Test opisany w normie DIN EN 60749-33 (Pressure Cooker Test) jest używany jako test właściwości materiałowych lub przyśpieszony test symulujący warunki środowiskowe. W autoklawie próbki przechowywane są pod wysokim ciśnieniem przy 100-procentowej wilgotności względnej i przy temperaturze 121±2°C/202 kPa. Taki test szybko wykrywa słabe punkty pod kątem odporności na wilgoć lub wskazuje oznaki starzenia się materiału kompozytowego.
Aby uniknąć defektów podczas procesów lutowania, konieczne może być wygrzewanie PCB w odpowiednim piecu bezpośrednio przed montażem. W celu faktycznego suszenia równowaga wilgoci musi być przesunięta w pożądanym kierunku. Należy wziąć pod uwagę obie opisane powyżej równowagi:
Środowisko
Aby szybkość desorpcji stała się wyższa niż szybkość adsorpcji, zawartość wilgoci w otaczającym powietrzu musi zostać zmniejszona. Zrozumiałe jest zatem, dlaczego takie urządzenia jak piekarnik domowy, który zasadniczo nadaje się również do gotowania na parze, nie może służyć do suszenia. Odpowiednie do suszenia sprzęt musi posiadać instalację wywiewu, która umożliwia ucieczkę wilgoci z komory suszenia.
Wygrzewane PCB
PCB może być postrzegana jako bryła wykonana z wielu różnych materiałów z wieloma powierzchniami styku. Grubość bryły (oś Z) jest niewielka w stosunku do pozostałych wymiarów, długości i szerokości: ten specyficzny kształt staje się kluczowym warunkiem procesu suszenia, jeśli ścieżka dyfuzji jest zablokowana na osi Z (więcej o procesie suszenia w dalszej części materiału).
Kiedy PCB jest naprawę suche?
Ściśle mówiąc, PCB nigdy nie są całkowicie suche, tj. nigdy nie są całkowicie pozbawione wilgoci. Podczas produkcji PCB przechodzi wiele procesów mokrych i wielokrotnie jest narażona na działanie wilgoci z otoczenia. Procesy suszenia odbywające się podczas produkcji PCB zwykle mają na celu jedynie wysuszenie powierzchni jako przygotowanie do kolejnego etapu procesu.
Rysunek 2: Suszenie i następująca absorpcja wilgoci wielowarstwowego FR4
W przykładzie zilustrowanym na powyższym rysunku, z otoczenia i podczas procesów produkcyjnych płytka PCB wchłonęła niewiele poniżej 0,2% procenta wilgoci w stosunku do swojej masy. Pozbawioną wilgoci masę określono po wygrzewaniu przez 24 godziny, a następnie płytkę wystawiono na oddziaływanie wilgotnego klimatu.
Jeśli PCB zostanie wysuszona we właściwy sposób, tj. poniżej temperatury zeszklenia Tg materiału bazowego, w żywicy epoksydowej wciąż może znajdować się wilgoć resztkowa, którą można usunąć tylko powyżej Tg [2]. Ponadto, wysuszona płytka PCB natychmiast ponownie wchłania wilgoć, gdy tylko zostanie wyjęta z pieca. Dlatego kolejne etapy procesu montażu i ich logistyka muszą być perfekcyjne skoordynowane w czasie z procesem suszenia. Jak widać na rysunku poniżej, cienkie folie poliamidowe wchłonęły już większość możliwej do przyswojenia wilgoci już po dwóch godzinach!
Rysunek 3: Zawartość wilgoci w elastycznych płytkach drukowanych jako funkcja czasu przechowywania, źródło: STN Atlas