Wilgoć w płytkach PCB

Wprowadzenie

Wilgoć jest zjawiskiem, które ma negatywny wpływ na niezawodność urządzeń elektronicznych. To jeden z czynników powodujących powstawanie takich zjawisk, jak korozja, migracja elektrochemiczna (dendryty), CAF (Conductive Anodic Filament) itp. Elementy elektroniczne SMD mogą być czułe na wilgoć, co określa się jako poziom MSL komponenetów.

Wilgoć (w sensie podwyższonej wilgotności powietrza) może jednak mieć również pozytywny aspekt w przemyśle elektronicznym - mianowicie redukuje poziom gromadzących się ładunków elektrostatycznych, czyli ogranicza zjawisko ESD.

Niniejszy artykuł omawia wpływ wilgoci na płytki drukowane (PCB), mechanizm wnikania wilgoci, skutki oraz zalecenia dotyczące postępowania z PCB. Jak zwykle w naszych artykułach, poruszono także kwestię standardów przemysłowych w tym zakresie.

Zapraszamy do lektury :)

Mechanizm wnikania wilgoci do PCB

Płytki PCB mają zróżnicowaną konstrukcję oraz wykorzystują różne materiały. Dużą część z nich stanowią włókna szklane i żywice epoksydowe. De facto, najbardziej popularny materiał okrelany jako FR-4 to wiele warstw włókien szklanych powiązanych ze sobą za pomocą żywicy epoksydowej.

W procesie produkcji PCB materiały te są poddawane licznym obróbkom chemicznym (takim jak trawienie, nakładanie powłok, suszenie) oraz mechanicznym (wiercenie, cięcie, frezowanie). Prowadzi to do powstawania mikroporów, pustek i mikropęknięć w strukturze laminatu, co wpływa na zwiększenie absorpcji wilgoci.

Typowy materiał FR-4 jest higroskopijny - chłonie wilgoć. Typowy poziom absorpcji wilgoci w laminatach FR-4 to wartości ok. 0.1-0.2%, ale także są materiały o większe absorpcji rzędu 0.5-0.6%. Jeżeli warunki są bardziej trudne to wilgoć może akumulować się w jeszcze większym stopniu.

Istnieje kilka mechanizmów wnikania wilgoci do wnętrza laminatu:[1]

• Dyfuzja objętościowa (ang. Bulk diffusion). To główny mechanizm odpowiadający za wzrost wilgoci w lamminatach. Cząsteczki wody przemieszczają się wewnątrz materiału od obszaru o wyższym stężeniu wilgoci do obszaru o niższym stężeniu (tj. wzdłuż gradientu stężenia). Na to zjawisko wpływają topologia powierzchni żywicy oraz polaryzacja cząsteczek, co oddziałuje na „przyciąganie” cząsteczek wody.
• Efekt kapilarny (ang. Capillary action). Obecność pustek i pęknięć wewnątrz materiału (w żywicy) ułatwiają wnikanie molekuł wody.
• Nasiąkanie (ang. Wicking). Pustki i pęknięcia na granicach (łączeniach) materiałów, często wynikłe z procesów wytwarzania przyczyniają się do zwiększonej migracji wilgoci.

Kiedy wilgoć wnika do PCB?

Wnikanie wilgoci może mieć miejsce w następujących przypadkach:

• Proces wytwarzania PCB. W czasie produkcji płytek PCB stosuje się szereg procesów chemicznych, w których laminat ma kontakt z wodą lub parą wodną. W niektórych z tych etapów wilgotny laminat może nie zostać odpowiednio wysuszony, a wilgoć zostaje „zamknięta” wewnątrz struktury. Przykładowo, proces łączenia warstw (prasowanie z prepregiem) wymaga wcześniejszego, dokładnego wysuszenia materiałów - w przeciwnym razie resztkowa wilgoć zostanie uwięziona pomiędzy warstwami. Taka wilgoć, podczas późniejszego lutowania, może gwałtownie odparować i spowodować delaminację. Producent może stosować metodę IPC-TM-650 2.6.27 do oceny czy dana płytak PCB ulega delamiancji z powodu wilgoci.[2]
• Transport i magazynowanie PCB. Na etapie transportu i magazynowania należy unikać ekspozycji płytek na wilgoć. Nieodpowiedni materiał opakowaniowy, nieszczelne opakowanie, jego rozerwanie, otwarcie lub niezabezpieczenie po otwarciu - to typowe przyczyny wnikania wilgoci w transporcie i magazynowaniu.
• Montaż. Zawilgocenie laminatów na tym etapie zdarza się rzadko. Może jednak wystąpić, jeśli proces produkcji jest wieloetapowy - na przykład po lutowaniu półprodukty czekają przez wiele dni na dalszy montaż lub są transportowane do innego zakładu bez odpowiedniego zabezpieczenia przed wpływem środowiska. Może to prowadzić do kondensacji wilgoci na powierzchni PCB, a w niektórych przypadkach wilgoć ta może zostać uwięziona (np. wilgotny moduł zostanie zamknięty w obudowie lub zalany żywicą).
• Użytkowanie. Wilgoć może również wnikać do laminatu podczas eksploatacji urządzenia. Zjawiska takie jak kondensacja wilgoci lub ciągła praca w środowisku o wysokiej wilgotności to typowe źródła zawilgocenia PCB. W zależności od warunków pracy oraz wymagań projektowych stosuje się różne formy ochrony przed wilgocią - odpowiednie (np. szczelne) obudowy, zalewy silikonowe lub żywiczne oraz inne metody ograniczające wpływ wilgoci.

Skutki wilgoci

Wilgoć wpływa negatywnie na jakość PCB, pogarszając jej właściwości mechaniczne i elektryczne. Poniżej najważniejsze z nich:

• Ryzyko wystapienia pęcherzy i delaminacji. Gwałtowne rozprężenie pary wodnej (czyli uwięzionej wilgoci) podczas procesów termicznych, np. lutowania rozpływowego powoduje rozerwanie połączeń między warstwami lamiantu.
• Zwiększa ryzyko CAF. Wilgoć jest jednym z czynników zwiększających ryzyko wystąpienia zjawiska CAF (Conductive Anodic Filament).
• Zmiana parametrów dielektrycznych. Wzrost stałej dielektrycznej (Dk) oraz współczynnika strat dielektrycznych (Df), co może negatywnie wpływać na szybkość przełączania sygnałów i zaburzać ich integralność.
• Obniża temperaturę zeszklenia (Tg), co zwiększa podatność na naprężenia mechaniczne, szczególnie w przelotkach i otworach THT.
• Przyspiesza utlenianie powierzchni miedzi, co może negatywnie wpływać na lutowność i prowadzić do zjawisk takich jak brak zwilżenia lub wtórny brak zwilżenia.

Ochrona PCB przed wilgocią

• Opakowanie ochronne. Fabrycznie nowe PCB powinny być pakowane zaraz po produkcji w sposób zabezpieczający przed wilgocią. Należy zastosować odpowiedni woreczek MBB (Moisture Barrier Bag), dodać pochłaniacz wilgoci (saszetkę z żelem krzemionkowym) oraz wskaźnik wilgoci HIC (Humidity Indicator Card). Zasady pakowania zostały jasno określone w IPC-1602.[2]
• Właściwe magazynowanie. Odpowiednio zapakowane PCB powinny być magazynowane w suchych pomieszczeniach. Opakowania muszą być szczelnie zamknięte. Jeżeli płytki są poprawnie zapakowane, to opakowanie MBB powinno skutecznie chronić PCB przez 12 miesięcy, 40C, <90RH.[2]

Suszenie PCB

Suszenie płytek PCB w elektronice określane jest w języku angielskim jako baking, co dosłownie oznacza "pieczenie" w kontekście kulinarnym. W elektronice jednak chodzi o proces usuwania wilgoci, czyli jest to suszenie lub opcjonalnie wygrzewanie.

Piec stosowany do tego celu powinien być czysty (pozbawiony zanieczyszczeń z innych procesów) i konwekcyjny (wymuszona cyrkulacja powietrza). Idealnym rozwiązaniem byłby piec umożliwiający suszenie w atmosferze azotu lub w podciśnieniu (piec próżniowy), jednak takie urządzenia są niestety rzadko spotykane..

Suszenie płytek PCB pozwala usunąć nadmiar wilgoci zgromadzonej w laminacie, jednak proces ten ma również pewne wady - przede wszystkim prowadzi do zwiększonego utleniania powierzchni przeznaczonych do lutowania, czyli pogarsza lutowność szczególnie w przypadku pokryć: Cyna chemiczna, HASL oraz OSP.

Temperatura suszenia powinna być niższa niż Tg (temperatura zeszklenia laminatu). Nie powinna również przekraczać 125°C (dla powłok OSP - maksymalnie 105°C), aby nie pogarszać lutowności.[2]

Norma IPC-1602 zawiera zalecenia dotyczące temperatury i czasu suszenia w punkcie 3.4.4, wraz z istotnymi zastrzeżeniami. Typowy zakres temperatur to 105-125°C, a czas suszenia wynosi od 4 do 6 godzin. Zaleca się jednak ograniczanie ekspozycji termicznej do niezbędnego minimum - lepszym podejściem może być rozpoczęcie suszenia w temperaturze 105°C przez 1 godzinę i ocena efektów, niż narażenie całej partii laminatów na 125°C przez 6 godzin, co może skutkować znaczącym pogorszeniem lutowności. Dużo zależy od grubości PCB, ilości warstw i rodzaju pokrycia.

Należy więc pamietać, że suszenie pogarsza lutowność, a powłoki takie jak cyna chemiczna i OSP są szczególnie wrażliwe na nadmierne i zbyt długie suszenie.

Standardy

• IPC-1602 Standard for Printed Board Handling and Storage. Główny standard określający wymagania i zalecenia dla postępowania z PCB, pakowania, przechowywania i suszenia.
• IPC-TM-650: 2.6.2, 2.6.3, 2.6.27, 2.6.28. Metody pomiaru wilgoci w lamiantach. Dokumenty opracowane przez organizację GEA (IPC)

Podsumowanie

Wilgoć w płytkach PCB to problem dla przemysłu elektronicznego. Jej nadmiar może prowadzić do rozwarstwień laminatu, zjawiska CAF (Conductive Anodic Filament), migracji elektrochemicznej, a także ogólnego pogorszenia właściwości dielektrycznych.

Stosowanie odpowiednich zasad na każdym etapie: produkcji PCB, pakowania, transportu, magazynowania oraz podczas montażu (lutowania) ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia zawartości wilgoci. W zakresie pakowania, przechowywania i ewentualnego suszenia PCB zalecam stosowanie IPC-1602.