Řízení teploty a relativní vlhkosti při výrobě

Příklady součástek citlivých na vlhkost (MSDS), které mohou vyžadovat řízenou teplotu a vlhkost vzduchu na pracovišti jsou SMD jemných roztečí - pouzdra BGA, QFP, pouzdra IO. Jsou zapouzdřené plastovou směsí nebo jiným organickým materiálem. Okolní atmosférická vlhkost lehce proniká difuzí do rozhraní (styčných ploch) rozdílných materiálů. Míra difuze závisí na teplotě okolí. Při vyšších teplotách bude okolní vlhkost rychleji pronikat do materiálu MSD. Absorpční proces bude pokračovat, dokud se vnitřní vlhkost MSD nevyrovná vlhkosti atmosférické.

Terminologie

• Součástka citlivá na vlhkost v textu označuje součástku, která je citlivá na okolní atmosférickou vlhkost vzduchu. V anglickém jazyce jsou tyto součástky nazývány Moisture Sensitive Device (MSD, MSDs).
• Sáček s bariérou proti vlhkosti také označovaný jako sáček odolný proti vniknutí vlhkosti je speciálně navržený sáček pro skladování součástek citlivých na vlhkost. V anglickém jazyce se používá výraz Moisture Barrier Bag (MBB, MBBs) nebo Dryshield Bag.
•   „Floor Life“ je povolená časová perioda po vyjmutí součástky ze sáčku s bariérou proti vlhkosti, (nebo ze skříně s řízenou vlhkostí  nebo ze sušící komory) před tím, než je tato součástka zapájená procesem přetavení.
• Moisture Sensitivity Level (MSL) udává, do jaké míry je MSD citlivá na vlhkost a jakými zásadami by se měl zpracovatel (výrobce) řídit.
• Relativní vlhkost vzduchu bude v textu nahrazena zkratkou RH (Relative Humidity).
• Shelf Life je minimální doba skladovatelnosti v zatavených sáčcích odolných proti vlhkosti.

Stanovení "Floor Life" pro součástky citlivé na vlhkost

Některé integrované obvody mají po vyjmutí ze sáčku odolného proti vlhkosti garanci pouze do 24hodin. Po uplynutí této doby absorbují okolní vlhkost vzduchu a při procesu přetavení mohou vznikat mikrotrhliny v materiálu integrovaného obvodu. Je důležité znát délku Floor Life součástek po vyjmutí z balení s vlhkostní bariérou, ze skladovací skříně s řízenou vlhkostí, nebo z vysoušecí skříně. Pro usnadnění stanovení Floor Life součástek je možné použít speciálně navržený monitorovací software.

Poškození MSD součástek způsobené absorpcí vlhkosti

Při vystavení MSD vysoké okolní vlhkosti může následně při procesu přetavení dojít k těmto procesům a defektům:

• vnitřní oddělení plastu od nosné podložky nebo od rámečku vývodů,
• poškození vnitřních bondovaných spojů,
• poškození nosné podložky („die pad“),
• vnitřní mikro-praskliny, které nejsou zjevné na povrchu pouzdra,
• koroze,
• popcornový fenomén, kdy může dojít k vypouknutí a prasknutí pouzdra, které je zjevné i na povrchu.

Průběh poškození MSD součástek

1. V průběhu skladování v neřízeném prostředí proniká okolní vlhkost vzduchu do materiálu pouzdra.

2. Působením tlaku vodní páry při zahřátí při procesu přetavení dojde k nežádoucímu oddělení rozhraní mezi nosnou podložkou a tělem součástky.

3. Zahřátá vodní pára se rozpíná do prostoru uvnitř pouzdra (Popcornový fenomén).

4. Rozpínající se vodní pára poruší pouzdro IO.

Poznámka: Bezolovnaté pájení vyžaduje vyšší teplotu než pájení olovnaté, což také může mít vliv na rozsah defektu způsobeného rozpínáním vlhkosti v materiálu MSD.

Technické normy týkající se MSD součástek

Norma IPC/JEDEC J-STD-020 „Monture/Reflow Sensitivity Classification for Plastic Integrated Circuit (IC) SMDs“ definuje klasifikační postupy pro MSD součástky. MSD součástky se dělí do 8 klasifikačních skupin. Klasifikační postup zahrnuje vystavení MSD součástek teplotám jako při procesu přetavení a poté následuje detailní vizuální kontrola, kontrola akustickým mikroskopem (ultrazvukem), příčná segmentace a elektrické testování.

Klasifikační skupiny MSD součástek:

Norma IPC/JEDEC J-STD-033 „Standard for Handling, Packaging, Shipping and Use of Monture Reflow Sensitive SMDs“ obsahuje detailní informace o vysoušecích dobách a teplotách. Zahrnuje také doporučené zacházení s MSD součástkami, balení a zásady při přepravě.

Požadavky na nakládání s MSD součástkami

„Pre-dry proces“

Pre-dry proces je vysoušecí proces v sušicí komoře (peci, sušárně), který je požadován před balením součástek do sáčků odolných proti vlhkosti. Délka a teplota vysoušecího procesu záleží i na tloušťce pouzdra:

• Pouzdra o tloušťce ≤ 1,4mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 8-28hod při 125°C, nebo 4-14hod při 150°C.
• Pouzdra o tloušťce ≤ 2mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 23-48hod při 125°C, nebo 11-24hod při 150°C.
• Pouzdra o tloušťce ≤ 4mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 48hod při 125°C, nebo 24hod při 150°C.

„Post-dry proces“

Post-dry proces je vysoušecí cyklus, který se používá pro obnovení Floor Life, poté co tato doba už vypršela. Délka a teplota vysoušecího procesu záleží i na tloušťce pouzdra. Rozlišují se také dva typy post-dry vysoušecích teplot: 125°C a 40°C:

• Pouzdra o tloušťce ≤ 1,4mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 4-14hod při 125°C, nebo 5-19 dní při 40°C.
• Pouzdra o tloušťce ≤ 2mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 18-48hod při 125°C, nebo 21-68 dní při 40°C.
• Pouzdra o tloušťce ≤ 4mm: pro skupinu 2a až 5a je délka procesu 48hod při 125°C, nebo 67-68 dní při 40°C.

Konkrétní příklad vysoušecích cyklů v praxi

U skupiny 2, 2a, 3 s přípustnou délkou Floor Life méně než 12 hodin, je požadováno minimálně 5 vysoušecích period k obnovení Floor Life. U skupiny 4, 5, 5a, s přípustnou délkou Floor Life méně než 8 hodin, je požadováno minimálně 10 vysoušecích period k obnovení. Například: patří-li součástka do skupiny 4, 5, 5a, a je nechráněna po dobu kratší než 8hodin, může být uložena ve skříni s řízenou vlhkostí pro obnovení její Floor Life bez nutnosti vysoušecího procesu. Nicméně pokud je její expoziční doba delší než 8 hodin, měla by být skladována při teplotě 40°C v sušicí komoře pro obnovení její Floor Life.