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.
Projekt PCB
Miedź nie przepuszcza wilgoci, stanowiąc dla niej idealną barierę. Powierzchnie miedzi utrudniają zatem dyfuzję cząsteczek wody podczas wchłaniania wilgoci, ale także podczas suszenia. I chociaż wchłanianie wilgoci zwykle zabiera więcej czasu, suszenie powinno przebiegać jak najszybciej. Dlatego istotne jest perforowanie powierzchni miedzianych lub przewidzenie w nich otworów, tak aby wilgoć mogła dyfundować na powierzchnię możliwie krótką drogą, zamiast przedostawać się na zewnątrz przez krawędź płytki.
Poniżej opisany eksperyment pokazuje bardzo wyraźnie korelację pomiędzy warstwą miedzi a zawartością wilgoci. Układ testowy z różnej grubości warstwami miedzi A/B/C/D został wykonany jako dwustronna płytka PCB o grubości 1,6 mm.
Rysunek 5: Układ testowy z zawartością miedzi A (0%), B (44%), C (75%) oraz D (100%) na stronie górnej i dolnej. Żródło: Fa. Totech, Präsentation „Moisture Sensitive Devices - a real production problem“, Gerhard Kurpiela, PDF, 2006
Rysunek 6: Wilgotność resztkowa w PCB na głębokości 0,6 mm po 6/15/25/40 godzinach suszenia w temperaturze 125°C. Żródło: Fa. Totech, Präsentation „Moisture Sensitive Devices
– a real production problem“, Gerhard Kurpiela, PDF, 2006
Różnice w stopniu pokrycia miedzią występują również w innych, nie przeznaczonych jedynie do testów układach. Na przykład obszary mocy i logiki mogą znacznie się pod tym względem różnić, co pokazuje poniższy rysunek.
Rysunek 7: Absorpcja wilgoci na płytce drukowanej w różnych lokalizacjach. Źródło: Diverse Untersuchungen und Präsentationen, Dr. Lothar Weitzel, Würth Elektronik Circuit Board Technology
Wykres absorpcji wilgoci pokazuje, że na początku eksperymentu obszar oznaczony kolorem czerwonym, o większym stopniu pokrycia miedzią, wchłonął mniej wilgoci. Również po wygrzewaniu, wchłanianie wilgoci było na tym obszarze znacznie wolniejsze. Jeśli jednak z powodu długiego przechowywania minęło wystarczająco dużo czasu, aby PCB uległo nasyceniu wilgocią, suszenie musi być w takim przypadku kontynuowane dłużej, aby czerwony obszar osiągnął pożądany stopień nasycenia wilgotnością.
Z punktu widzenia procesu suszenia, projektując PCB należałoby uwzględnić następujące czynniki:
• Długie i niczym nie przerywane długości pól miedzi są wymiarem krytycznym z punktu widzenia wymagań procesu suszenia.
• Należy unikać pełnych warstw miedzi, bez przerw, w tym również na warstwach wewnętrznych.
• W obszarze sygnałów krytycznych, które wymagają niezakłóconej ścieżki prądu powrotnego do warstwy odniesienia, otwory można usunąć lub umieścić w innych miejscach.
• Nawet niewielkie otwory w warstwie miedzi stanowią odpowiednie kanały dyfuzyjne, ułatwiające etap suszenia.
• W przypadku płytek sztywno-giętkich, zaleca się stosowanie otworów długości 0,3 mm na każdy 1 mm (przy 70 µm grubości warstwy miedzi).
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] Physik des Feuchteaustauschs in einem Öl-Zellulose Isoliersystem unter Beachtung des Grenzschichtverhaltens. Dipl. Ing. Bernd Buerschaper, Prof. Dr. Thomas Leibfried, Universität Karlsruhe (TH), Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik, Deutschland, 2005
[2] Moisture solubility and diffusion in epoxy and epoxy-glass composites, L.L.Marsh et.al., IBM J. RES. DEVELOP, Vol.28, No.6, Nov. 1984