Przechowywanie i ochrona płytek drukowanych FLEX, RIGID-FLEX i SEMI-FLEX

Wygrzewanie laminatów 

Pochłonięta przez laminat wilgoć z otoczenia w trakcie lutowania rozpływowego i szybkiego wzrostu temperatury, może powodować wewnętrzne rozwarstwienie lub nadmierne naprężenia w ściankach otworów i innych wewnętrznych strukturach płytki drukowanej. Problem ten stanowi istotne wyzwanie w produkcji elektroniki dla aplikacji krytycznych, które wymagają dużej niezawodności w dynamicznie zmieniających się warunkach środowiskowych. Stwierdzono, że poziom od 0,1% do 0,2% wartości wagowej wilgoci w płytce jest wystarczający, aby spowodować problemy podczas montażu lub lutowania.

Jeśli nie ma pewności, co do warunków przechowywania i pakowania otrzymanego towaru i/lub sterowanie procesem jest nieefektywne (czas przechowywania płytek przekroczył 24 godziny pomiędzy dwoma cyklami lutowania) i/lub płytki zostały poddane procesowi mycia, a płytki drukowane pochłonęły nadmierną ilość wilgoci, to wygrzewanie jest najbardziej praktycznym środkiem zaradczym zapobiegającym poważnym uszkodzeniom obwodów drukowanych. W celu usunięcia zgromadzonej wilgoci producenci laminatów FLEX wymagają, szczególnie przed procesami lutowania, wygrzewania płytek przez określony czas w urządzeniach o niskim poziomie wilgotności. Zapewnienie niskiej wilgotności i stałej temperatury podczas procesu wygrzewania jest konieczne ze względu na ryzyko korozji pól lutowniczych i inne niekorzystne zjawiska aktywowane termicznie. Proces nie może jednak przebiegać zbyt długo, ze względu na wzrost kosztów i czasu cyklu produkcji, ale przede wszystkim ze względu na ryzyko rozrostu warstw międzymetalicznych, które prowadzą do braku zwilżalności pól lutowniczych, a tym samym do braku lutowności łączonych powierzchni. Zasadniczo, zarówno producenci płytek drukowanych, jak i firmy montażowe, powinni unikać wygrzewania, poprzez zagwarantowanie odpowiednich warunków w produkcji, pakowaniu i przechowywaniu a także poprzez stałą kontrolę wszystkich procesów. Niestety w rzeczywistości często wszystkie te warunki nie są spełnione jednocześnie, dlatego wygrzewanie powinno być realizowane w specjalnych urządzeniach – piecach off-line, które posiadają regulację temperatury, wilgotności i czasu trwania procesu.

Warunki wygrzewania w piecach off-line

Wygrzewanie płytek drukowanych należy realizować w piecu off-line z wymuszonym obiegiem powietrza. Skuteczność procesu można dodatkowo poprawić, zmniejszając względną wilgotność lub prężność pary wodnej w piecu, np. przez wygrzewanie w próżni lub w atmosferze azotu. Piec używany do wygrzewania powinien być zdolny do utrzymania wymaganych temperatur przy wilgotności względnej poniżej 5%. Wewnętrzna komora pieca powinna być wolna od zanieczyszczeń, takich jak np. silikony, które mogą osadzać się na powierzchni płytek, w tym na polach lutowniczych. Należy również zachować odpowiednią ilość miejsca pomiędzy wygrzewanymi laminatami, aby podgrzane powietrze mogło swobodnie cyrkulować i efektywnie usuwać wilgoć. Przy większej ilości płytek drukowanych zaleca się umieszczenie płytek w pozycji pionowej w specjalnych stojakach/kasetach. 

Czasy i temperatury wymagane do przeprowadzenia skutecznego procesu wygrzewania zależą od wielu czynników, w tym od:

• Początkowej wilgotności płytki drukowanej.

• Pożądanego stopnia suchości po wygrzewaniu - powinien być poniżej poziomu maksymalnej dopuszczalnej zawartości wilgoci MAMC (ang. Maximum Acceptable Moisture Content). Wartość MAMC to ilość maksymalnie pochłoniętej wilgoci, którą płytka może zaabsorbować bez ryzyka uszkodzenia pod wpływem działania temperatury lutowania. Wartość MAMC jest wyrażona jako procent masy suchej płyty. Poziom MAMC powinien zostać ustalony przez projektanta płytki lub użytkownika. W szczególnych przypadkach dopuszcza się również uzgodnienia pomiędzy użytkownikiem a producentem płytek drukowanych. Wartość tą można ustalić na podstawie dostępnych danych od dostawców laminatów, analizy, zdobytych wcześniej doświadczeń lub poprzez testy weryfikacyjne na próbkach płytek drukowanych.

• Charakterystyki desorpcji wilgoci laminatu.

• Całkowitej grubości płytki drukowanej.

• Lokalizacji i struktury warstw miedzi.

• Projektu płytki. 

W celu ograniczenia ryzyka występowania uszkodzeń wewnętrznych struktur, wygrzewanie powinno odbywać się w temperaturze poniżej temperatury Tg dla określonego laminatu. Używanie temperatur powyżej 125°C (105°C dla pokrycia OSP, 110°C dla pokrycia Ni/Au) może pogorszyć stan pokryć galwanicznych płyty drukowanej, maski lutowniczej lub laminatu. 

Norma IPC-1601 uzależnia czas i temperaturę wygrzewania od rodzaju nałożonej powłoki lutowniczej. W przypadku pokrycia OSP nie zaleca się wygrzewania, ze względu na degradację pokrycia.

Tabela 3: Zalecenia norm IPC dotyczące wygrzewania płytek

Wygrzewanie międzyprocesowe może również negatywnie wpłynąć na parametry zamontowanych elementów, dlatego ważne jest ograniczenie powtórzeń tego procesu do niezbędnego minimum i przechowywanie płytek w specjalnych szafach o stałej i kontrolowanej temperaturze w zakresie 20-25°C oraz wilgotności poniżej 5%RH. 

Firma Semicon w ramach realizowanego projektu: „Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach FLEX dla aplikacji krytycznych, Internetu rzeczy i przemysłu 4.0” przeprowadziła badania i opracowała procedury dotyczące warunków przechowywania i przygotowania laminatów FLEX, RIGID-FLEX i SEMI-FLEX spełniające restrykcyjne wymagania aplikacji krytycznych, Internetu rzeczy i Przemysłu 4.0. Prowadzone prace skupiały się na analizie wykorzystywanych materiałów na podłoża typu FLEX, analizie dotyczącej właściwego postępowania z laminatami, w tym metodami i warunkami środowiskowymi przechowywania podłoży oraz badaniach: absorpcji wilgoci, metodach jej usuwania, w tym również wygrzewania oraz odporności płytek na narażenia na czynniki klimatyczne w warunkach: zimna i wilgotne gorąco stałe. Płytki obwodów drukowanych i elementy elektroniczne pracują w różnych warunkach i szczególnie dla materiałów dla aplikacji krytycznych konieczna jest weryfikacja ich odporności na zimno oraz podwyższoną temperaturę i wilgotność. Narażenie na niska temperaturę pozwala ocenić zachowanie się materiałów w warunkach zimowych. Temperatura znacznie obniżona pozwala na zwielokrotnienie efektu i szybsze wywołanie ewentualnych defektów mogących zniszczyć materiał np. w wyniku uszkodzeń spowodowanych działaniem zamarzającej wilgoci we wnętrzu PCB. Kolejne narażenie na podwyższoną temperaturę i wilgotność intensyfikuje ilość narażeń. Tego typu zestaw badań klimatycznych pozwala ocenić odporność i zachowanie się materiałów zarówno w warunkach zimowych jak i letnich. Oceny skutków narażeń dokonano z użyciem zgładów metalograficznych, analiz mikroskopowych i SEM.

Obwody drukowane w procesie ich wytwarzania i montażu podlegają szeregowi procesów, które mogą wpływać na końcową jakość produktu. Każdy z nich przeprowadzany jest w określonym środowisku, które powinno być ściśle kontrolowane. Dotyczy to szczególnie temperatury i wilgotności. Przeprowadzone w ramach projektu analizy i badania pozwoliły na opracowanie specjalnej dokumentacji technicznej, która umożliwi właściwą ochronę i montaż płytek drukowanych FLEX, RIGID-FLEX i SEMI-FLEX dla aplikacji krytycznych, Internetu rzeczy i Przemysłu 4.0.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Semicon Sp. z o.o. 

Autor: Piotr Ciszewski, pciszewski@semicon.com.pl