Понимание влагочувствительности в печатных платах: предотвращение, обнаружение и удаление

Быстрая навигация: Как влага влияет на ПП | Обнаружение и удаление влаги | Почему это происходит? | Стандарты IPC для влаги | Как предотвратить попадание влаги в ПП | Как удалить влагу из ПП | Печатные платы от MCL

Хотя последствия делиминации можно обнаружить с помощью тепловизионного контроля и акустической микроскопии, они не всегда проявляются в виде очевидных симптомов, таких как изменение цвета и пузырящиеся поверхности. В целом, гораздо предпочтительнее предотвратить попадание влаги на ПП в первую очередь. Эта защита достигается через процессы вроде предварительной сушки (пре-бейкинга) и правильного хранения. Конструкция ПП также может влиять на то, насколько вероятно возникновение проблем с влагой. Одной из самых тревожных проблем с печатными платами (ПП) является наличие влаги. Если влага существует внутри ПП, дестабилизация, вызванная ею, способна иметь делиминирующее воздействие на поверхностные элементы. Всякий раз, когда на ПП применяется пайка или переработка, делиминация может легко расшириться из-за наличия влаги.

Как влага может повлиять на ПП

Наличие влаги может привести к различным функциональным сбоям на ПП, в зависимости от того, с какими компонентами или проводящими путями она вступает в контакт в процессе диффузии. Влага может накапливаться в стеклоэпоксидной смоле, смоле или стеклянных интерфейсах и трещинах платы. К распространенным проблемам, связанным с влагой, относятся замедление скоростей цепей и увеличение задержек функций соответствующего устройства. Если проблема превышает определенный предел, устройство может просто не включиться.

Проводились тесты, показывающие эффекты поглощения и десорбции влаги в печатных платах. В ПП с металлизированными сквозными отверстиями разной плотности запертые количества влаги имеют разные скорости десорбции в зависимости от расстояния между отверстиями. В сильно насыщенных ПП десорбция может занимать сотни часов в высокотемпературных средах.

Если ПП помещается в среду, где парциальное давление атмосферной влаги превышает сопротивление платы и её компонентов, влага может проникнуть в ПП. Чтобы предотвратить делиминацию от влаги на ПП, пайка должна выполняться только при высоких температурах с содержанием влаги менее 0,1% или при низких температурах с содержанием влаги менее 0,2%. Высокотемпературная пайка составляет около 260 °C, а низкотемпературная — около 230 °C.

Обнаружение и удаление влаги

Когда измеряется способность ПП накапливать электрическую энергию, изменение содержания влаги внутри платы может быть обнаружено. В этом процессе используются емкостные датчики. Уровни емкости изменяются в обратной пропорции плотности отверстий. Если плотность высока, емкость низка, потому что расстояние между влагой и поверхностью меньше, но пространство для выхода влаги больше.

В ПП без металлизированных отверстий (non-PTH) емкость снижается более быстро. Таким образом, этим платам требуется меньше времени сушки для достижения достаточно низкого уровня влаги. На ПП с металлизированными отверстиями (PTH) меньше открытой поверхности для выхода влаги.

Из-за обратного эффекта медных полигонов на процесс десорбции, их следует сушить с учетом их конструкции. С одной стороны, влагу можно удалить из платы эффективнее, увеличив время выпечки, но это может снизить паяемость и функциональную способность платы. Следовательно, время выпечки должно быть измерено, чтобы избежать этих возможных побочных эффектов.

Процесс удаления влаги не всегда дает предсказуемые результаты. Например, пара идентичных медных полигонов может пережить кратковременный всплеск влаги в центре при начале выпечки, который затем диффундирует. Если этот временной взлёт влаги происходит в области платы, где делиминация наиболее вероятна, это может стать непреднамеренным побочным эффектом выпечки.

На некоторых платах удаление влаги просто невозможно, как только влага проникла через несколько слоев. Поэтому критически важно применять меры для предотвращения попадания влаги в плату в ходе начального процесса сборки.

Почему это происходит?

Одним из самых распространенных способов воздействия влаги на ПП является контакт с холодной зимой воздухом. При низких температурах в атмосферном воздухе недостаточно тепла для поглощения влаги. В результате увлажненное содержимое воздуха выделяется на холодные поверхности. Если поверхность становится холоднее самого воздуха, она может служить магнитом для выделяемой влаги, или конденсата. Этот процесс — причина того, почему окна часто запотевают зимой.

Холодные предметы, помещенные вблизи зон конденсации, также склонны притягивать влагу из воздуха. Например, ваза, поставленная на подоконник запотевшего окна, может стать влажной от капель влаги. Любая поверхность, которая может стать холоднее внутреннего воздуха и удерживать стоячую воду, может служить магнитом, включая поверхности компьютерных компонентов.

Внутренние и внешние поверхности неактивного компьютера или периферийного устройства легко становятся холодными зимой. По мере остывания поверхностей ниже температуры воздуха, они притягивают влагу. С внутренними компонентами проблема может усугубиться, если нет вентиляционных отверстий для выхода влаги. ПП, например, могут располагаться горизонтально внутри корпуса компьютера, сканера, видеоплеера или стереоустройства. В часы дня, когда дом пуст, а отопление и электричество выключены при низких уличных температурах, эти устройства могут служить магнитами для влаги.

По мере диффузии влаги на поверхности ПП и другой внутренней схемотехники устройства могут в конечном счете отказаться включаться. Когда устройство оставлено неиспользуемым зимой и не включается весной, внутренняя влага иногда является причиной. Поскольку само устройство неактивно, внутри блока не генерировалось тепло в течение рассматриваемого периода.

Дополнительные способы накопления влаги на ПП включают:

• Недостаточная упаковка: ПП также могут контактировать с влагой, когда они упакованы или хранятся в ненадежных пакетах и шкафах. Если плата отправлена в ненадежной упаковке, не защищающей от окружающих условий, влага может проникнуть при определенных условиях. В некоторых случаях влага диффундирует в слои ПП еще до попадания в руки клиента.
• Сборка: Один из самых скрытых и раздражающих способов попадания влаги на ПП — когда водяные частицы из окружающего воздуха попадают на плату в процессе сборки. Если вода попадает на плату перед пайкой и диффундирует через слои, плата может быть по сути изготовлена с дефектом. Даже если существуют шаги для удаления влаги, эти же шаги могут открыть плату для дальнейшего воздействия.
• Выпечка (бейкинг): Влага может даже набухнуть внутри платы во время самого распространенного процесса борьбы с влагой ПП: выпечки. Хотя цель выпечки — нагреть ПП до температур, выгоняющих влагу, внутренние молекулы влаги часто временно расширяются при повышении температуры внутри платы. Хотя большая часть влаги в конечном итоге выгоняется из ПП, моментное расширение может вызвать дальнейшую необратимую диффузию внутри платы.

Стандарты IPC для влаги

В 2010 году стандарты IPC по контролю влаги в ПП были установлены для устранения пренебрежения этой темой в общей сфере обслуживания ПП. Покрытые припоем платы могут дольше сохранять паяемость, если принимаются меры для предотвращения попадания влаги в платы. Альтернативно, платы могут служить дольше, если применяются правильные шаги для удаления влаги.

Согласно руководящим принципам, выпечка — практичный метод удаления влаги из ПП, на которых ранее существующие процессы контроля не предотвратили попадание влаги. Однако руководство также предупреждает, что выпечка ведет к увеличению затрат, увеличению цикла и снижению паяемости. Процесс выпечки также состоит в дополнительной манипуляции, которая может вызвать повреждения и загрязнение ПП. Поэтому необходимость в выпечке должна избегаться максимально возможно за счет профилактического обслуживания во время сборки, манипулирования и хранения ПП.

Документ особенно предупреждает против выпечки покрытий органического пресерванта паяемости (OSP), так как эффекты выпечки ухудшают покрытие. В безсвинцовой пайке OSP-покрытия распространены из-за экономичности и простоты нанесения. Несмотря на эти преимущества, OSP-слои легко окисляются из-за простоты покрывающего слоя, который является единственной защитой базовой медной поверхности. Всего пару минут достаточно для разделения поверхности и диффузии влаги с OSP-покрытием.

ПП часто отправляются в упаковке, делающей платы уязвимыми для поглощения влаги. Во многих случаях ПП отправляются в фольгированных пакетах или антистатических пакетах. Следовательно, такие платы часто прибывают с опасными объемами диффузии влаги. Если они хранятся в упаковке после получения, платы могут быть легко arruинованы за несколько месяцев. ПП вместо этого должны отправляться и храниться в мешках-барьерах от влаги (Moisture Barrier Bags — MBB).

Как предотвратить попадание влаги в ПП

Во время производства ПП процесс ламинирования должен проводиться в температурно-контролируемой среде, где воздушная система регулируется осушителями. Также критически важно носить чистые перчатки на каждом рабочем цикле, чтобы избежать распространения загрязнения между разными компонентами.

Сам процесс ламинирования ПП оказывает обезвоживающее воздействие на готовый продукт. На этой стадии препреги и ядра укладываются, а слои связываются в единую плату. Некоторые производители применяют низкое вакуумное воздействие на этой стадии для предотвращения внутренних пустот, которые могут заперть влагу внутри слоев.

Среди определенных производителей ПП распространена практика выпечки препрегов перед ламинированием. Цель — предотвратить формирование влажных карманов и пузырей на готовой плате. Этот шаг наиболее полезен, когда препрег провел определенное время ранее в нерегулируемой среде хранения. В против случае этот шаг обычно не нужен.

Одним из самых эффективных средств предотвращения влаги в ПП являются мешастые медные полигоны, которые препятствуют перемещению влаги между слоями, а также внутрь и наружу плат. Мешастые медные полигоны также служат более прочным связующим материалом между слоями. Однако их наличие в ПП может снизить электрическую емкость платы.

Как удалить влагу из ПП

Основной метод устранения влаги из ПП — выпечка (бейкинг), во время которой высокие уровни тепла применяются для выгорания встроенных следов влаги. Выпечка — популярный метод, потому что высокие температуры — эффективное средство удаления влаги в большинстве случаев. По мере прохождения тепла через слои, подвергающиеся этому воздействию, эффекты обычно оказываются тщательными и долговечными. Выпечка часто применяется на стадии сборки перед отправкой ПП в магазины и электронные заводы.

Несмотря на часто позитивные эффекты выпечки, процесс может иметь недостатки. Если ПП содержит большие медные полигоны, концентрации влаги могут сначала набухнуть во время процесса выпечки, вызывая делиминацию в результате. Именно в эти секунды набухания может произойти диффузия влаги. Как только это происходит, процесс удаления влаги становится гораздо более сложным, если не невозможным.

ПП могут быть освобождены от содержания влаги, когда они помещаются в сушильные камеры, которые удерживают платы при идеальных температурах с содержанием паров воды менее 0,05 г/м³. Эта среда обеспечивает вакуумный эффект на ПП, останавливающий застывание или диффузию влаги. Сухие камеры также предотвращают окисление и интерметаллическое развитие. ПП могут храниться в сушильных камерах бесконечно с малым риском разложения.

Важно, чтобы ПП правильно хранились в сухих отсеках. Когда они отправляются и хранятся в резерве, ПП должны упаковываться в MBB. Сухие складские помещения с осушенным воздухом могут предотвратить воздействие влаги в течение недель или месяцев, пока ПП ожидает использования в компьютере или электронном устройстве.

ПП внутри активного устройства может контактировать с влагой, если само устройство находилось во влажной среде. Расположенное в комнате с запотевшими окнами, деактивированное устройство может легко иметь увлажненные поверхности внутри и снаружи, даже если проблема не очевидна невооруженным глазом. Вы можете избежать этой проблемы, поддерживая электронные блоки активными в холодные месяцы и сохраняя разумно теплые температуры в помещении. Активный компьютер, например, генерирует достаточно внутреннего тепла для устранения влаги из ПП и других компонентов.

Другой способ борьбы с влагой в электронных компонентах — размещать такие устройства в вертикальном положении. Горизонтальный корпус компьютера будет иметь лежащую ПП, которая может содержать стоячую влагу. В корпусе-башне ПП расположена вертикально. Когда цель — удалить влагу любыми средствами, вертикальное положение предпочтительнее горизонтального.

Печатные платы от Millennium Circuits Limited

Поглощение влаги ПП — важная проблема, которую нужно признать, если вы используете печатные платы для продуктов любого вида. Чтобы обеспечить долгий срок службы платы, меры предосторожности при обращении с ПП необходимы на всех стадиях: сборке, манипулировании, отправке, хранении, установке, обслуживании и перемещении.

В MCL наши техники профессионально обучены безопасному обращению с ПП, и мы гарантируем, что каждая ПП, отправленная с нашего объекта, упакована в влагозащищенную упаковку. Чтобы узнать больше о наших ПП, свяжитесь с MCL сегодня для получения расчета стоимости.

Запросить бесплатный расчет стоимости