ВОЛОГА В ДРУКОВАНІЙ ПЛАТІ (ЧАСТИНА 1)

У першій частині ми детально розглянемо усі питання, пов’язані із вологістю в друкованій платі. Представлено фізичний механізм поглинання вологи та основні фактори, що впливають на її проникнення в друковану плату.

Механізм поглинання вологи

Друкована плата та її оточення становлять своєрідну систему, в якій поверхня друкованої плати є граничним шаром у системі друкована плата/навколишнє середовище, фазами є газова фаза (у цьому випадку повітря) і тверда фаза, тобто друкована плата. Молекули води з навколишнього середовища накопичуються на поверхні друкованої плати (адсорбція), але також відриваються від поверхні, десорбуються та розчиняються в повітрі. У стані рівноваги швидкість адсорбції дорівнює швидкості десорбції.

Інша рівновага встановлюється всередині друкованої плати: молекули води дифундують у тверду речовину (поглинання) і – у певному вигляді рівноваги – мігрують назад у рівних кількостях з матеріалу на поверхню, звідки вони можуть бути повторно поглинені або десорбовані. В основному волога у вигляді молекул води розподіляється дуже повільно та рівномірно по всій твердій речовині шляхом процесу дифузії, але залежно від специфічної здатності матеріалу поглинати вологу вона накопичується в різних шарах. Проте міграція вологи в друковану плату через пори та капіляри (капілярна конденсація), як це спостерігається в будівельних матеріалах (гіпс, бетон, дерево чи кладка), не повинна відбуватися у професійно виготовлених друкованих платах.

«Дифузія рухається силами різного роду, причому розрізняють ізотермічну та неізотермічну дифузію. В ізотермічній системі, де всі частини системи мають однакову температуру, процес дифузії залежить виключно від механічних рушійних сил; це градієнти парціального тиску або концентрації. Оскільки «електронну систему» ​​не можна розуміти як ізотермічну систему, слід врахувати ще один ефект – ефект термодифузії (ефект Соре). Крім того, рушійні сили дифузії є результатом температурного градієнта . Коефіцієнт дифузії є константою матеріалу, яка залежить від парціального тиску, температури та концентрації.»

Процес дифузії молекул води в твердому тілі відбувається дуже повільно, але його швидкість можна збільшити підвищенням температури (закон Арреніуса). Константи дифузії смоли знаходяться в діапазоні 10^-8 см²/с. Зміна тиску газової фази, наприклад, шляхом застосування вакууму, впливає лише на граничний шар повітря/друкована плата, але не впливає на явища всередині друкованої плати. Таким чином, вакуум не може впливати на швидкість дифузії в твердому тілі, але впливає на швидкість десорбції.

Оскільки друковані плати складаються з багатьох різних твердих матеріалів, усередині твердої речовини є багато різних граничних шарів. Особливістю виділених прикордонних шарів є те, що на них більш-менш легко накопичується волога, а через різний характер і структуру сусідні матеріали дають певний «ефект проростання», активізуючи деякі негативні процеси.

Малюнок 1: Процеси, пов’язані з вологістю, на друкованій платі.

Що можна зробити, щоб досягти балансу вологи?

Тест, описаний у DIN EN 60749-33 (Pressure Cooker Test), використовується як тест властивостей матеріалу або прискорений тест для імітації умов навколишнього середовища. Зразки зберігають в автоклаві під високим тиском при відносній вологості 100% і температурі 121 ± 2 °C/202 кПа. Такий тест швидко виявляє слабкі місця щодо вологостійкості або вказує на ознаки старіння композитного матеріалу.

Щоб уникнути дефектів під час процесу паяння, може знадобитися висушити друковану плату у відповідній печі безпосередньо перед процесом монтажу. Для реального висихання баланс вологи повинен бути зміщений в потрібну сторону. Необхідно враховувати обидва баланси, описані вище:

• Навколишнє середовище. Щоб швидкість десорбції стала вищою за швидкість адсорбції, необхідно зменшити вологість у навколишньому середовищі. Тому зрозуміло, чому для сушіння не можна використовувати такі прилади, як побутова піч, яка, по суті, також придатна для приготування на пару. Обладнання, придатне для сушіння, повинне мати витяжну систему, що забезпечує відведення вологи із сушильної камери.
• Прогрів друкованої плати. Друковану плату можна розглядати як тверде тіло, виготовлене з багатьох різних матеріалів з багатьма контактними поверхнями. Товщина твердого тіла (вісь Z) невелика порівняно з іншими розмірами, довжиною та шириною: ця специфічна форма стає ключовою умовою для процесу сушіння, якщо шлях дифузії перешкоджає осі Z (детальніше про процес сушіння нижче).

Коли необхідно сушити друковані плати?

Власне кажучи, друковані плати ніколи не бувають повністю сухими, тобто без вологи. Під час виробництва друкованої плати вона проходить багато вологих процесів і неодноразово піддається впливу вологи навколишнього середовища. Процеси сушіння під час виробництва друкованої плати зазвичай мають на меті лише висушити її поверхню для подальшого процесу.

Малюнок 2: Висушування та подальше поглинання вологи багатошарового FR4

У прикладі, зображеному на мал.2, друкована плата поглинула з навколишнього середовища та під час виробничих процесів трохи менше 0.2% вологи за вагою. Суху вагу потім визначали шляхом сушіння протягом 24 годин, а потім витримували у вологому кліматі.

Якщо друкована плата висушена належним чином, тобто нижче температури глазурування Tg основного матеріалу, в епоксидній смолі все ще може бути залишкова волога, яку можна видалити лише вище Tg . Крім того, висушена друкована плата негайно знову починає поглинати вологу, як тільки її виймають з печі. Тому наступні етапи процесу виробництва та їх логістика повинні бути ідеально узгоджені за часом з процесом сушіння. Як ви можете бачити на мал.3, тонкі поліамідні плівки вже ввібрали більшу частину вологи лише через дві години!

Малюнок 3: Залежність вмісту вологи в гнучких друкованих платах від часу зберігання, джерело: STN Atlas

Фактори, що впливають на вміст вологи в друкованій платі

Малюнок 4: Діаграма Ісікави – фактори, що впливають на вміст вологи в друкованій платі.

1. Матеріали

Матеріали для друкованих плат істотно відрізняються за показниками вологопоглинання і вологопроникності:

• Паяльна маска має показники поглинання вологи, подібні до епоксидних смол, і не є перешкодою для її проникнення, вона практично нейтральна в цьому відношенні.
• Мідь не вбирає вологу і і забезпечує захист від неї. Однак закрита мідна поверхня зовнішніх шарів не захищає від поглинання вологи – це все ще можливо завдяки відкритим краям і довшим шляхам. Велика площа поверхні міді завжди є перешкодою для поглинання вологи, а також для процесу сушіння.
• Пластмаси, такі як смоли для підкладки, мають значну різницю щодо поглинання вологи, від майже нуля для LCP (рідкокристалічного полімеру) до приблизно 0.4 % за вагою (мас.%) для стандартної епоксидної смоли, навіть до кількох масових відсотків, наприклад для поліімідних плівок. У друкованій платі можуть комбінуватися різні матеріали, наприклад, у випадку жорстко-гнучких використовується поєднання жорстких підкладок і гнучких поліімідних плівок. Термостійкість окремих матеріалів може бути використана як перший показник здатності епоксидних смол поглинати вологу: матеріали із середньою та високою температурою глазурування Tg зазвичай демонструють вище вологопоглинання порівняно з епоксидною смолою із Tg 135 °C.

Для друкованих плат, таких як гнучких або жорстко-гнучких друкованих плат, , які особливо схильні до впливу вологи, оригінальна упаковка повинна бути позначена таким чином:

Відповідно до вимог стандарту IPC/JEDEC J-STD-033, друковані плати, позначені таким чином, відповідають стандарту MSL6 для компонентів і потребують сушіння перед подальшими кроками.

Спосіб пакування

Стандартна упаковка друкованих плат, якою є поліетиленова термозбіжна плівка, не є стійкою до вологи та не є для неї ефективним бар’єром. Навіть додаткова упаковка в поліетиленовий пакет не захищає від поглинання вологи!

Спеціальна упаковка з алюмінієвим покриттям і визначеним високим значенням MVTR (ступінь пропускання парів вологи) є рішенням, але вона дуже дорога з точки зору витрати часу та матеріалів. Уникайте пошкодження упаковки MBB (Moisture Barrier Bag – пакет із захистом від вологи) гострими краями друкованої плати під час транспортування. Після відкриття упаковки друковані плати слід повторно висушити відповідними заходами протягом будь-яких періодів очікування, пов’язаних з процесом.

Зберігання

Якщо сухі друковані плати піддаються впливу вологого середовища, баланс вологи автоматично відновлюється. Цей процес триває тижні, перш ніж настане насичення. З точки зору вологості, великою різницею може бути те, чи призначені друковані плати для виробництва відразу після доставки або, наприклад, через шість місяців. Залежно від умов зберігання друковані плати можуть бути більш або менш вологими (якщо вони зберігаються, наприклад, у сушильній шафі).

Дизайн друкованої плати

Мідь не пропускає вологу і є ідеальним бар’єром для неї. Тому мідні поверхні перешкоджають дифузії молекул води під час поглинання вологи, а також під час висихання. І хоча зазвичай для вбирання вологи потрібно більше часу, висихання повинно відбуватися якомога швидше. Тому важливо перфорувати мідні поверхні або зробити в них отвори, щоб волога могла дифундувати на поверхню найкоротшим шляхом, а не виходити через край плати.

Наступний експеримент дуже чітко показує кореляцію між шаром міді та вмістом вологи. Тестова система з різною товщиною шарів міді A/B/C/D була виготовлена ​​у вигляді двосторонньої друкованої плати товщиною 1.6 мм.

Малюнок 5: Випробувальна установка з вмістом міді A (0%), B (44%), C (75%) і D (100%) на верхній і нижній сторонах. Джерело: Fa. Totech, Презентація “Чутливі до вологи пристрої – реальна виробнича проблема”, Герхард Курпіела, PDF, 2006

Малюнок 6: Залишкова вологість у друкованій платі на глибині 0.6 мм після 6/15/25/40 годин сушіння при температурі 125 °C. Джерело: Fa. Totech, Презентація “Чутливі до вологи пристрої – реальна виробнича проблема”, Герхард Курпіела, PDF, 2006

Відмінності в ступені покриття міддю виникають і в інших системах, не призначених тільки для тестування. Наприклад, поглинання вологи на друкованій платі в різних місцях може сильно відрізнятися, як показано на малюнку 7.

Малюнок 7: Поглинання вологи на друкованій платі в різних місцях. Джерело: Diverse Untersuchungen und Präsentationen, Dr. Лотар Вайцель, Würth Elektronik Circuit Board Technology

Графік поглинання вологи показує, що на початку експерименту ділянка, позначена червоним кольором з більшим покриттям міддю, поглинала менше вологи. Крім того, після висихання поглинання вологи в цій зоні відбувалося набагато повільніше. Однак, якщо минуло достатньо часу, щоб друкована плата наситилася вологою через тривале зберігання, сушіння має тривати довше, щоб червона область досягла бажаного ступеня насичення вологою.

З точки зору процесу сушіння, конструкція друкованої плати повинна враховувати такі фактори:

• Найбільша безперервна площа міді є критичним розміром для сушіння.
• Уникайте повністю мідних шарів без зазорів, у тому числі на внутрішніх шарах.
• У зоні критичних сигналів, які вимагають безперебійного шляху зворотного струму на опорному шарі, отвори можна видалити або розмістити в іншому місці.
• Навіть невеликі отвори в мідному шарі забезпечують відповідні канали дифузії для полегшення етапу сушіння.
• У випадку жорстко-гнучких плат рекомендується використовувати отвори довжиною 0.3 мм на кожен 1 мм (при товщині шару міді 70 мкм).

Джерела, використані в тексті:

Physik des Feuchteaustauschs in einem Öl-Zellulose Isoliersystem unter Beachtung des Grenzschichtverhaltens. Dipl. Ing. Bernd Buerschaper, Prof. Dr. Thomas Leibfried, Universität Karlsruhe (TH), Institut für Elektroenergiesysteme und Hochspannungstechnik, Deutschland, 2005

Moisture solubility and diffusion in epoxy and epoxy-glass composites, L.L.Marsh et.al., IBM J. RES. DEVELOP, Vol.28, No.6, Nov. 1984

За матеріалами сайту https://tek.info.pl