Kontrola oksydacji i oddziaływania międzymetalicznego dla komponentów wrażliwych na wilgoć

W przypadku komponentów wrażliwych na wilgoć, aby uniknąć szkód powstałych w wyniku mikropęknięć czy rozwarstwiania się, niezbędne są odpowiednie warunki ich przechowywania. W efekcie wprowadzenia lutowania bezołowiowego i związanej z tym konieczności stosowania wyższej temperatury procesu, zarządzanie problemem odporności na wilgoć stało się pierwszoplanowym problemem. Bezołowiowy proces lutowania rozpływowego znacznie podnosi wielkość ciśnienia wytwarzanego przez opary wewnątrz komponentu, nawet do 30 barów. Te same komponenty, które wcześniej mogły być montowane bez problemów, obecnie stwarzają ich więcej i mają mniejszą odporność. Przekłada się to na podwyższoną o dwa stopnie klasyfikację wrażliwości na wilgotność (moisture sensitivity levels, MSL) oraz na krótszy dopuszczalny czas ekspozycji (floor life).

Producenci komponentów wrażliwych na wilgoć powinni dostarczać je w specjalnych opakowaniach ochronnych, uniemożliwiających wchłanianie wilgoci w transporcie. Tego typu torebki złożone są z kliku warstw tworzywa sztucznego i aluminium. Odpowiednio przygotowane i zamknięte, stanowią też dobrą ochronę przed utlenianiem (zwykłe torebki ESD lub zamykane na zamek nie chronią przed oksydacją). Po otwarciu opakowania, komponent zaczyna chłonąć wilgoć i zależnie od jej poziomu i temperatury otoczenia, może być używany tylko w ograniczonym okresie przydatności. Czas ten jest sklasyfikowany w normie IPC/ JEDEC J-STD-033D.

Po przekroczeniu ‘terminu przydatności’, komponent może być zastosowany w bezpieczny sposób po uprzednim wygrzewaniu, zwykle przeprowadzanym w temperaturze 125°C. Taki komponent powinien być traktowany ze specjalną ostrożnością. Nie jest wskazane powtarzanie procesu wygrzewania, tak więc należy bezwzględnie unikać ponownego przyjmowania wilgoci. Nawet jednokrotne wygrzewanie, wywołuje utlenianie i reakcje międzymetaliczne, co z kolei redukuje właściwości zwilżania wyprowadzeń komponentu. Badania wykazały 50% wzrost warstwy intermetalicznej przy wygrzewaniu w temperaturze 125°C przez 4 dni. Z kolei grubsza warstwa intermetaliczna obniża integralność lutu oraz – w skrajnych przypadkach – redukuje lutowalność komponentu. 

Aby zapobiegać opisanym problemom, producenci pieców do wygrzewania umożliwiają przeprowadzenie procesu w atmosferze azotu lub w próżni. Jednak, przywrócenie okresu przydatności komponentu do punktu startu zajmuje około 72 godzin, co z pewnością wiąże się ze znacznym kosztem zużycia azotu. Jedynie bardzo niska obecność tlenu, tj. poniżej 13 ppm, uniemożliwia utlenianie.  

Długoterminowe przechowywanie przestarzałych komponentów

Cykl życia produktu jest coraz krótszy a nowe modele wprowadzane są coraz częściej. Z drugiej strony, wielu producentów z takich branż jak motoryzacja, lotnictwo, militaria czy awionika musi gwarantować dostępność części zamiennych (w tym PCB) przez 10 czy nawet 20 lat. Wymusza to większa zakupy i długoterminowe przechowywanie komponentów. Dalszą komplikacją jest fakt, iż wiele komponentów nie może być magazynowanych przez kilka lat bez specjalnego traktowania. Utlenianie, reakcje międzymetaliczne czy zwiększająca się z czasem kruchość materiałów to tylko przykładowe problemy z tym związane.

Norma IPC/JEDEC J-STD-033D opisuje wiele kluczowych zasad dotyczących komponentów wrażliwych na wilgoć i sposobów obchodzenia się z nimi, jednak długoterminowe przechowywanie nie jest w niej opisane. Dodatkowo, zaprzestanie produkcji komponentów i coraz krótszy czas życia produktów, zmusza producentów do tworzenia zapasów celem zapewnienia produkcji i podaży części zamiennych. Rozmaite procesy starzenia powodują, iż komponenty składowane w opakowaniach suchych (a także w atmosferze azotu) nie zapewniają niezawodnego działania. Poza tym, temperatura i wilgotność to czynniki mające najsilniejszy negatywny wpływ na utlenianie się powierzchni metali. Ze względu na oksydację, komponenty są mniej podatne na zwilżanie, co przekłada się na większą ilość błędów montażu.

Ochrona przed utlenianiem w długim okresie

Zjawisko korozji następuje przy jednoczesnym wystąpieniu dwóch czynników. Pierwszy to obecność utleniacza, co ma miejsce już przy zawartości tlenu w atmosferze na poziomie 21%. Drugim czynnikiem jest roztwór wodny, działający jako elektrolit, tworzący się już przy 10% wilgotności względnej, formując cienki, niewidzialny film na powierzchni metalu. Przy braku jednego z wymienionych czynników, korozja nie zachodzi. Aby uniknąć korozji, stosuje się trzy rozwiązania: składowanie w suchych torebkach oraz/lub atmosferze azotu, które  usuwa oba czynniki, tj. utleniacz oraz elektrolit oraz składowanie w atmosferze suchej, które  usuwa jedynie elektrolit.

Lecz co stanowi bardziej efektywną ochronę przeciw utlenianiu? Suche torebki są odpowiednim rozwiązaniem tylko dla celów krótko- lub średnioterminowego składowania. W ich przypadku istnieje ryzyko, iż odgazowanie doprowadzi do korozji powierzchni kontaktowych, torebka zawiera bowiem duże ilości plastyfikatorów oraz związków trudnopalnych. Ten efekt nie występuje w przypadku składowania w atmosferze suchej lub azotu, ponieważ w przypadku tych rozwiązań atmosfera jest ciągle filtrowana i wymieniana.

Porównanie składowania w atmosferze azotu i atmosferze suchej

Dla porównania obu metod przeprowadzono test długoterminowy, trwający 9 miesięcy. W regularnych odstępach czasu, tj. co 4 tygodnie, próbki były badane pod kątem utleniania za pomocą analizy EDX [rodzaj badania za pomocą promieni Roentgena przyp.tłum.]. Dla porównania, takie same komponenty były składowane w atmosferze otoczenia. 

Jak można się było spodziewać, największe ślady utleniania rozpoznano w przypadku próbek składowanych w atmosferze otoczenia. Natomiast porównując próbki składowane w atmosferze azotu oraz w atmosferze suchej, oksydacja powierzchni była mniejsza w drugim przypadku. Wyniki testu dowodzą, iż składowanie w atmosferze azotu doskonale nadaje się do długoterminowego magazynowania i zapewnia optymalną ochronę przez utlenianiem. Składowanie w atmosferze suchej wypada też korzystniej pod względem energochłonności procesu.

Wpływ temperatury na tempo starzenia

Poza korozją, komponenty starzeją się w efekcie procesu dyfuzji, zachodzącej na styku powierzchni metalicznych. Wzrost temperatury przyśpiesza szybkość tych reakcji, przyczyniają się tym samym do szybszego starzenia się komponentu. Ogólnie można stwierdzić, iż podniesienie temperatury o 10 stopni przyśpiesza tempo starzenia się od dwu- do  czterokrotnie. W tego względu rekomenduje się redukcję temperatury w przypadku składowania długoterminowego. Z drugiej jednak strony, mniejsza temperatura wpływa na powstawanie whiskersów oraz pogorszenie się właściwości cyny. Z tych względów optymalna wydaje się być temperatura 14°C, nieznacznie przekraczająca temperaturę krytyczną, przy której nasilają się opisane zjawiska, określoną na poziomie 13.2°C. 

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy PB Technik

Źródło: Totech