Wróć

Wygrzewanie sztywno-giętkich PCB przed lutowaniem

Prezentujemy prostą i konkretną notę aplikacyjną na temat przyczyn rozwarstwiania się sztywno-giętkich PCB i kluczowych zasad ich wygrzewania.
Opublikowano: 2021-07-14

© Wurth

Na koniec procesu produkcyjnego płytka PCB nie jest idealnie sucha, w jej wnętrzu zawsze jest przynajmniej trochę wilgoci, która dyfunduje do materiałów dielektrycznych, jeśli nie są one poddawane specjalnej obróbce. Ponadto, podczas przechowywania w niesprzyjających warunkach zawartość wilgoci może dalej wzrastać. Dotyczy to wszystkich rodzajów PCB, ale jeśli chodzi o konsekwencje, są one różne w zależności od użytych materiałów bazowych. Wykonane z poliimidu elastyczne i giętko-sztywne płytki charakteryzują się wyższą skłonnością do wchłaniania wilgoci. Oznacza to, że nawet w normalnych warunkach otoczenia pochłaniają wilgoć z powietrza. Przykładowo, sucha folia poliamidowa osiąga stopień nasycenia wilgocią już w ciągu kilku godzin, który w zależności od warunków wynosi do 3% wagowych (patrz wykres obok, górna część).

Suszenie jest procesem odwrotnym do wchłaniania wilgoci i składa się z następujących etapów (rysunek obok, dół):

1 Adopcja cząsteczek wody na powierzchni PCB

2 Desorpcja cząsteczek wody z powierzchni PCB

3 Absorpcja i dyfuzja cząsteczek wody do laminatu

4. Obszary pokryte miedzią jako bariera

Wilgoć rozprzestrzenia się w materiale, ale w największym stopniu gromadzi się na powierzchniach styku materiałów. Wilgoć może zatem być przyczyną defektów, powstających poprzez odgazowanie lub degradację tworzyw sztucznych, co w przypadku poliimidu może prowadzić do pogorszenia wiązań materiałowych w efekcie hydrolizy przebiegającej na powierzchni. W stykających się klejonych warstwach, siły adhezyjne mogą być zmniejszone, co w konsekwencji może być przyczyną rozwarstwiania się płytki z powodu naprężeń termicznych i różnic rozszerzalności materiałów. Warto podkreślić, iż ryzyko rozwarstwienia rośnie wykładniczo wraz z temperaturą lutowania!

© Wurth

Rekomendacje dotyczące opakowania i warunków przechowywania

Należy pamiętać, iż standardowo oryginalne opakowanie PCB nie jest wodoodporne! Nie wolno też uszkodzić ani otworzyć opakowania z barierą wilgoci (MBB-). PCB należy przechowywać oryginalnie zapakowane w suchym pomieszczeniu (rH < 50 %) w stałej temperaturze <30°C.

Jak prawidłowo wygrzewać?

Suszenie to odwrotny proces wchłaniania wilgoci. W tym celu cząsteczki wody muszą dyfundować na powierzchnię i desorbować. Ponieważ szybkość dyfuzji jest bardzo powolna i silnie zależna od temperatury, płytki PCB muszą być podgrzewane w piecu lub przechowywane przez dłuższy czas w atmosferze suchej, np. w szafie MSD. Piec musi być odpowiednio dostosowany, co przede wszystkim oznacza, iż powinien być wyposażony w wymuszony obieg powietrza i podłączenie odpowietrznika. Zalecamy również, aby dla każdej partii PCB sporządzać ewidencję suszenia, przynajmniej do czasu finalnego ustabilizowania procesu.

Ogólne parametry procesu suszenia rekomendowane przez producentów PCB powinny być traktowane jako zalecenia lub parametry początkowe i jako takie muszą być zweryfikowane przez użytkownika. Ważną rolę odgrywają aspekty projektowe, wpływające na warunki przechowywana, proces suszenia i lutowania. Specyficzne dla projektu parametry suszenia należy określić poprzez ocenę krzywych suszenia, powstałych w wyniku testów z pomiarami wagowymi z konkretnymi PCB.

W przypadku elastycznych i sztywno-elastycznych płytek drukowanych suszenie przed lutowaniem jest obowiązkowe. Montaż i lutowanie należy wykonać bezpośrednio po procesie suszenia (zwykle < 2h), ponieważ właściwości higroskopijne PCB mogą powodować ponowną absorpcję wilgoci. Jest to również niezbędne w przypadku napraw i wymiany komponentów.

© Wurth

Zalecenia projektowe dotyczące usuwania miedzi dla celów suszenia: miedź o długości 1 mm i grubości 0,3 mm (do 2 uncji / 70 μm grubości miedzi):

Zalecenia dotyczące suszenia:

1. Efektywna temperatura suszenia w piecu wynosi 120°C. W przypadku stosowania szafa do suchego przechowywania, są one bardziej wydajne w temperaturze 60°C niż w temperaturze 45°C.

2. Standardowe zalecenie dla elastycznych / sztywno-giętkich PCB z miedzią usuniętą ze wszystkich warstw (również warstw ekranujących):

o Suszyć 4 godziny w temperaturze 120°C w piecu z wymuszoną konwekcją, a następnie lutować w ciągu 2 godzin lub

o Suszyć 100 godzin w temperaturze 60°C lub 200° godzin w temperaturze 45°C w suchej szafie MSD.

3. Po dłuższym przechowywaniu zwiększyć czas schnięcia.

4. W przypadku oczekiwania lub pomiędzy kolejnymi procesami lutowania zaleca się przechowywanie w szafie MSD. W ten sposób można uniknąć kolejnego cyklu suszenia.

5. Płytki PCB należy suszyć oddzielnie w stelażu, który zapewnia szybsze i równomierne wysuszenie niż suszenie w płytek ułożonych w stosie. W przeciwnym razie należy upewnić się poprzez pomiar wagi, że wszystkie płytki w stosie są równomiernie wysuszone.

6. Dla celów procesu suszenia konieczne jest zaprojektowanie większej powierzchni z usuniętą miedzią. Dotyczy to również warstwy uziemiającej lub ekranującej, jak również sztywnej części płytki.

Dodatkowe uwagi:

1. Wewnętrzne elastyczne warstwy z giętko-sztywnymi płytkami PCB schną dłużej niż zewnętrzne warstwy elastyczne.

2. Oddziaływanie termiczne podczas procesu suszenia prowadzi do sztucznie przyspieszonego starzenia się obszarów, na których mają powstać połączenia lutownicze. Efekt ten pogarsza lutowność, zwłaszcza w przypadku wykończenia powierzchni cyną zanurzeniową i OSP. W przypadku wykończenia ENIG nie zaobserwowano żadnych problemów.

3. Nawet niewielkie różnice w profilu lutowania mogą decydować o powodzeniu lub uszkodzeniu płytek PCB. Dlatego profil lutowia powinien przewidywać możliwie niską temperaturę i jej łagodny przyrost.

4. Użytkownik musi zwrócić szczególną uwagę na utrzymanie szaf MSD w czystości – nie można dopuścić, aby jakikolwiek kondensat z innych suszonych komponentów zanieczyścił  powierzchnię PCB.

5. Szafy do przechowywania w atmosferze azotu nie nadają się do suszenia płytek drukowanych.

6. Nie zaleca się suszenia próżniowego w niskich temperaturach ze względu na małą efektywność takiego procesu.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Wurth Elektronik Circuit Board Technology

Kontakt w Polsce: tomasz.renkiel@we-online.com

www.lenz.com.pl
www.lenz.com.pl