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.
© Wurth Elektronik
Mechanizm absorbcji wilgoci
Płytka drukowana i jej otoczenie stanowi pewnego rodzaju układ, czy też system, w którym powierzchnia PCB stanowi warstwę graniczną w układzie PCB/środowisko, fazami są faza gazowa (w tym przypadku powietrze) oraz ciało stałe, czyli PCB. Cząsteczki wody ze środowiska gromadzą się na powierzchni PCB (adsorpcja), lecz również odrywają się od powierzchni, desorbują i rozpuszczają w powietrzu. W stanie równowagi szybkość adsorpcji jest równa szybkości desorpcji.
Wewnątrz płytki drukowanej ustala się inna równowaga: cząsteczki wody dyfundują do ciała stałego (absorpcja) i - w pewnego rodzaju równowadze - wędrują z powrotem w równej ilości z materiału na powierzchnię, skąd mogą być ponownie wchłonięte lub podlegać desorbcji. Zasadniczo, wilgoć w postaci cząsteczek wody jest rozprowadzana bardzo powoli i równomiernie w ciele stałym w procesie dyfuzji, ale w zależności od specyficznej dla danego materiału zdolności do absorpcji wilgoci, gromadzi się ona w różnych warstwach. Jednak migracja wilgoci do PCB przez pory i kapilary (kondensacja kapilarna), jaka ma miejsce przykładowo w materiałach budowlanych (tynk, beton, drewno lub mur) nie powinna występować w profesjonalnie wyprodukowanych PCB.
‘Dyfuzję napędzają siły różnego rodzaju, przy czym rozróżnia się dyfuzję w systemie izotermicznym i nieizotermicznym. W systemie izotermicznym proces dyfuzji opiera się na mechanicznych siłach napędowych; są to ciśnienie cząstkowe lub gradienty stężenia. Ponieważ ‘system elektroniczny’ nie może być rozumiany jako układ izotermiczny, należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden efekt – efekt dyfuzji termicznej (efekt Soreta). Siły napędowe dyfuzji wynikają tu ponadto z gradientu temperatury […]. Współczynnik dyfuzji jest stałą materiałową, która zależy od ciśnienia cząstkowego, temperatury i stężenia’. [1]
Proces dyfuzji cząsteczek wody w ciele stałym jest bardzo powolny, ale jego tempo może się je zwiększyć poprzez podniesienie temperatury (prawo Arrheniusa). Stałe dyfuzji w żywicy mieszczą się w zakresie 10-8 cm2/s. Zmiana ciśnienia fazy gazowej, np. poprzez zastosowanie próżni, ma wpływ tylko na warstwę graniczną powietrze/PCB, ale nie ma wpływu na zjawiska wewnątrz PCB. Próżnia nie może zatem wpływać na szybkość dyfuzji w ciele stałym, ale na szybkość desorpcji już tak.
Ponieważ PCB składa się z wielu różnych materiałów stałych, wewnątrz ciała stałego znajduje się wiele różnych warstw granicznych: jest to ważny fakt, opisany w dalszych częściach materiału w rozdziale: Wpływ wilgoci. Procesy wiązania i siły adhezyjne. Zauważmy jedynie, że szczególną cechą wybranych warstw granicznych jest to, że wilgoć gromadzi się na nich w łatwiej lub trudniej a ze względu na różny charakter i strukturę, sąsiednie materiały dają pewien ‘efekt kiełkowania’, aktywujący niektóre negatywne procesy.
Rysunek 1: Procesy związane z wilgocią na płytce drukowanej.