工業(yè)除濕機(jī)中濕度對PCB的影響

      PCB測試和檢查時發(fā)現(xiàn)缺陷，由于報廢或需要返工，意味著收益受損。缺陷可能是由于裸電路板、組件、材料或其他原因引起的。潮濕就是導(dǎo)致電路板故障的一個原因，但這是可以預(yù)先控制的。
 
　　發(fā)現(xiàn)電路板有缺陷，并不是好事。制造工藝進(jìn)行到這個時候，我們已經(jīng)在電路板組件上增加了很多價值，不能不去排除這些缺陷。電路板的缺陷是各種因素造成的。這些因素可能與組件有關(guān)，可能與裸電路板有關(guān)，也可能是工藝窗口太窄，有時甚至是電路板布局或電路板設(shè)計的問題。
 底線是一清二楚的——盡量減少缺陷。組裝好的電路板一旦有缺陷，代價是很高的。
 　　從處理原材料開始，制造工程師和工藝工程師有各種方法來減少電路板的缺陷。在部件方面，我們通?？紤]組件和電路板，在工藝方面，檢查錫膏、模板、再流焊溫度曲線，是可能造成故障的原因。
 　　還有一個地方我們可以減少電路板缺陷，這就是控制濕度，但這個方面經(jīng)常被人們所忽視。
 濕度過高造成的缺陷
 　　在上個世紀(jì)八十年代，人們就認(rèn)識到表面貼裝器件的潮濕敏感性可能是導(dǎo)致電路板故障的原因。1990年，IPC發(fā)布IPC-SM-786“建議用于處理潮濕敏感塑料IC封裝的方法”，專門解決這個問題。有些基礎(chǔ)材料，如FR-4對潮濕有一定的敏感性。一塊裸電路板吸收了比正常情況下更多的水分，會造成尺寸的不穩(wěn)定，在涂敷錫膏、粘合劑和貼裝組件時，會引起一些問題。
 　　對于減少印刷工藝中與潮濕有關(guān)的缺陷，視覺對準(zhǔn)系統(tǒng)的作用有限，因?yàn)镻CB和模板之間的對準(zhǔn)是使用整體最佳調(diào)整的方法。
 　　涂布粘合劑則好得多，它利用電路板上的基準(zhǔn)來修正整個坐標(biāo)系統(tǒng)，減少膨脹和收縮對基礎(chǔ)材料的總體影響。
 　　貼裝組件時，貼裝機(jī)利用同樣的視覺系統(tǒng)，還可以用多引腳細(xì)間距器件（QFP、TQF、TSSOP）附近的基準(zhǔn)來進(jìn)行調(diào)整。修正X/Y/θ坐標(biāo)可以幫助你確定貼裝軸和組件中心，但仍然使用最符合算法使引腳對準(zhǔn)焊盤。電路板十分潮濕時，組件的貼裝勉強(qiáng)合格。不過，使用標(biāo)準(zhǔn)的共晶錫膏時，由于再流焊固有的自定心作用，這樣貼裝的組件還是可以接受。但是，目前的無鉛錫膏的反應(yīng)不一樣，在液相階段，自定心作用大大降低，或者完全沒有。
 　　再流焊時，加熱潮濕的SMD封裝會使器件的封裝產(chǎn)生微裂紋，也可能使器件的結(jié)構(gòu)分層。在加熱過程中，隨著溫度升高，水分迅速蒸發(fā)。在再流焊溫度曲線的短暫保溫階段，這些蒸汽形成氣流，在封裝內(nèi)部發(fā)生微型爆炸。這種現(xiàn)象會造成引線連接斷裂以及基板或引線架產(chǎn)生微裂紋。
 　　根據(jù)IPC/JEDEC J-STD-020D.1[1]，“非密封封裝在經(jīng)受再流焊的高溫時，它里面的水蒸汽壓力升高很多。在一定條件下，水蒸汽的壓力可能造成封裝材料與芯片和引線架基板在封裝內(nèi)部脫離，形成沒有延伸到封裝外表面的內(nèi)部裂紋、連接損傷、引線縮短、焊點(diǎn)翹起、芯片翹起、薄膜斷裂，或者在焊點(diǎn)下面形成弧坑。在最嚴(yán)重的情況下，應(yīng)力可能造成內(nèi)部封裝裂紋。這種現(xiàn)象通常稱為爆米花現(xiàn)象，這是應(yīng)力使封裝鼓起，然后發(fā)生爆裂聲，產(chǎn)生裂紋。再流焊時，SMD組件在較高溫度下，比插孔組件更容易受這個問題的影響?！?br />  　　好在這個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于潮濕程度和產(chǎn)品失效時間的規(guī)定，以及從器件中驅(qū)除水分的方法，是可測量、可接受的。
 　　不論潮濕會導(dǎo)致什么樣的具體故障，其結(jié)果都是電路板組件不能使用。這些由MSD的缺點(diǎn)而造成的電路板故障，可以用一些基本處理原則來防止。
 　　由于軍用和其他高可靠性電路板組件制造商面臨使用商用現(xiàn)貨（COTS）組件，他們承擔(dān)起管理潮濕敏感組件（MSD）和基板的責(zé)任。IPC/JEDEC再次引用J-STD-033B.1[2,4-5]，對正確處理、包裝、運(yùn)輸、以及使用潮濕/再流焊敏感表面貼裝器件作出詳細(xì)說明。
 　　對于電路板組裝廠商，一旦把MSD從防潮袋（MBB）中取出時，J-STD-033B.1可以幫助他們制定延長MSD儲存期限的可接受方法。根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，儲存期限定義為“干燥包裝的潮濕敏感組件可以儲存在未開封的防潮袋里，而防潮袋專用內(nèi)帶周圍的濕度不超過規(guī)定濕度的最短時間?！?br />  　　所有MBB都有一個濕度指示卡（HIC），告訴你防潮袋里的水汽含量。最典型的HIC用三種顏色標(biāo)記指示MBB里的相對濕度（RH），敏感值是5%、10%和60%。當(dāng)MBB里的濕度達(dá)到相應(yīng)的濕度值時，顏色標(biāo)記就改變顏色。印刷前，HIC上有說明，它告訴使用者，是否需要重新設(shè)置產(chǎn)品失效時間。
 　　根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，對于處在正常室內(nèi)溫度的MSD，延長儲存時間的最簡單辦法之一是使用干燥劑防潮的干燥柜。
 　　Shook和Googelle討論了，對于使用了對潮濕極敏感的器件的PCB，在組裝時，處理組件的獨(dú)特問題[3]。在他們的論文中提到的各種處理辦法中，使用干燥柜儲存MSD抑制潮濕是一個安全有效的方法，可以長時間安全地延長MSD的儲存時間。
 　　制造商都根據(jù)J-STD-020D.1，按照組件的潮濕敏感水平（MSL）給所有潮濕敏感組件打分評級，加上標(biāo)記。在組裝工廠，這個標(biāo)記幫助組裝人員確定并重新設(shè)置或暫停產(chǎn)品失效時間時鐘所需要的時間。
 　　原先是干燥的SMD包裝，如果只是暴露在不超過30℃、60%RH的環(huán)境，可以使用干燥包或干燥柜在室溫下除濕、充分干燥，這就足夠了。如果使用干燥包，總的除濕暴露時間不超過30分鐘，則原來的干燥劑可以重新使用。
 吸出水分
 　　最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究[6]確定在適度特別低的防潮柜中從器件吸出的水分。這個試驗(yàn)在最壞的情況下用高吸水（有機(jī)吸濕）材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
 　　總量為2000克的材料在水中浸泡，材料的吸水率為100%，然后把這些材料放進(jìn)一個超低濕度防潮柜。材料從浸泡到移入干燥柜的過程中失去水分約2%。材料和它所帶的98%的水分進(jìn)入防潮柜，防潮柜的溫度為62°F，相對濕度為37%。
 　　一般制造設(shè)備的環(huán)境溫度和濕度在一年中可能很一樣。洛杉磯和長灘的環(huán)境濕度就是一個很好的例子。長灘的平均濕度在早上是80%，中午是54%，而洛杉磯在早上是79%，但中午只降到65%，而長灘和洛杉磯的距離只有25英里多一點(diǎn)。
 　　電子制造是在溫度和濕度受控制的廠房里進(jìn)行的。要努力把環(huán)境的溫度控制在68°F-72°F的范圍里，相對濕度控制在40-60%。
 　　在超低濕度防潮柜從組件中吸出水分的條件下，不加熱，使用者就能達(dá)到J-STD-033B.1規(guī)定的干燥時間要求。對于MSL4、5和5a，如果暴露時間不超過8小時，防潮柜需要10×暴露時間，才能使SMD足夠干燥，可以根據(jù)這個時間重新設(shè)置產(chǎn)品儲存時間。把相對濕度能夠維持在不高于5%的干燥包或防潮柜中，就可以做到這點(diǎn)。
 　　與此同時，IPC/JEDEC只認(rèn)可一種主動加熱方法，對貼裝好的和未貼裝好的SMD封裝進(jìn)行干燥，加熱時的最低溫度為40℃，最低相對濕度為5%。使用超低濕度電子防潮箱是有效的干燥方法，可以延長SMD封裝的儲存時間，避免使用IPC/JEDEC認(rèn)可的重新設(shè)置方法。
 
主動干燥與電子防潮箱的比較
 
　　高能效超低濕度防潮柜的功率約為56瓦，而小型干燥設(shè)備的功率是2.2千瓦。在75小時的研究過程中，防潮柜消耗的電能比一個小型干燥爐2小時消耗的電能少之又少。
 　　超低濕度干燥在很多方面都對電路板質(zhì)量起正面影響。主動加熱系統(tǒng)在干燥組件和裸電路板時，組件和電路板要經(jīng)歷溫度循環(huán)。在標(biāo)準(zhǔn)再流焊爐中也要經(jīng)歷類似的循環(huán)。主動干燥有可能引起封裝開裂、分層、鋁金屬變形以及連接失敗，這是由于封裝材料包含的各種物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)（CTE）不一樣的緣故。
 　　主動加熱去濕的溫度曲線需要適當(dāng)?shù)臏囟壬仙訜犭A段和溫度下降冷卻階段來盡量減少對元件和電路板的熱沖擊。干燥爐的環(huán)境回到室溫所需要的時間限制了庫存器件從儲存室移出，接著，干燥爐又需要一個溫度上升時間回到干燥循環(huán)，庫存器件又經(jīng)受另一個溫度循環(huán)。
 監(jiān)測
 　　現(xiàn)在的一些制造執(zhí)行軟件（MES）系統(tǒng)包括識別和報警模塊，能夠提醒使用者注意潮濕敏感元件在時間上的限制。有效使用這些工具能夠防止過度潮濕造成的損害，組裝人員可以確認(rèn)在整個過程中關(guān)鍵器件是不是妥善儲存和處理。有些供應(yīng)商SMD所經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)。
 結(jié)論
 　　本文討論了一個常常被忽視，卻能減少電路板缺陷的方法。這個方法的要點(diǎn)是適當(dāng)處理元件和PCB。糾正潮濕問題能夠減少或者消除與潮濕有關(guān)的缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量和收益。
 　　只要在可移動超低濕度防潮箱上花點(diǎn)錢，把這些電子防潮箱放在制造車間的適當(dāng)位置，就可以控制潮濕問題。生產(chǎn)車間收到潮濕敏感器件和電路板時，可以把它們放進(jìn)可移動的電子防潮箱，送進(jìn)儲存室，在組裝時把全套組件拿到生產(chǎn)車間。只在需要時，把同樣這些防潮箱移到組裝生產(chǎn)在線，把組件拿出來，從而減少器件暴露在周圍空氣、溫度和濕度之下。

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