Przechowywanie i ochrona płytek drukowanych flex, rigid-flex i semi-flex, cz. 1 – obowiązki producenta

Materiały używane do produkcji obwodów drukowanych są z reguły higroskopijne, co oznacza, że mają tendencję do pochłaniania wilgoci z powietrza w trakcie przechowywania. Typowo w temperaturze 20°C i przy wilgotności 35% z powodu absorbcji pary wodnej ciężar podłoża wielowarstwowego może wzrosnąć o 0,12%. Jeżeli dodatkowo efekt kapilarny doprowadzi do wzrostu ciężaru podłoża o ponad 0,17%, to w wyniku podgrzewania w procesie lutowania możliwy jest lokalny wzrost ciśnienia pary wodnej do 8–10 barów, którego efektem będzie delaminacja warstw lub mikrouszkodzenia przelotek. Zgromadzona wilgoć w materiale może powodować również szereg innych niekorzystnych zjawisk, takich jak: korozja pól lutowniczych czy zmiana stałej dielektrycznej, prowadząc do zmniejszenia prędkości propagacji szybkich sygnałów w obwodzie drukowanym. Wilgoć obniża również temperaturę zeszklenia (Tg) laminatu, co prowadzi do nadmiernych naprężeń termicznych powodujących uszkodzenia laminatu. Para wodna gromadząca się na styku żywicy i włókna szklanego może spowodować degradację międzyfazową, w wyniku czego powstają przewodzące włókna CAF (Conductive Anodic Filament).

 

Rys. 1. Przykład pakowania płytek PCB w folie o specyfi kacji ESD i MSD

Podłoża typu flex (elastyczne) i rigid-flex (sztywno-giętkie) są w sposób szczególny narażone na tego typu zjawiska, w odróżnieniu od podłoży typu semi-flex (lub sztywnych – rigid) opartych na laminatach typu FR4. Wynika to z zastosowania poliimidu jako części elastycznej obwodu drukowanego. Poliimidy charakteryzują się większym współczynnikiem absorbcji wilgoci – do 3% wagowo, przy współczynniku 0,15% dla laminatów na bazie FR4.

Powszechne mechanizmy powstawania defektów przypisywane absorpcji pary wodnej w płytkach PCB wymienione zostały poniżej. Wiedza na ich temat jest niezbędnym elementem przy wyborze najbardziej odpowiedniej strategii obniżania wilgotności PCB.

1. Para wodna zgromadzona w podłożu może prowadzić do powstawania pęcherzy lub rozwarstwienia warstwy wewnętrznej.
   
   
2. Nadmierna ilość pary wodnej zwiększa stałą dielektryczną (Dk) i współczynnik rozproszenia (Df), prowadząc do zmian prędkości propagacji sygnałów elektrycznych wielkiej częstotliwości.
   
   
3. Para wodna działa jak plastyfikator, zmniejszając temperaturę zeszklenia (Tg), co z kolei zwiększa naprężenia na wybranych elementach PCB, takich jak galwanizowane otwory przelotowe.
   
   
4. Stymulowane podwyższoną wilgotnością utlenianie powierzchni miedzi prowadzi do obniżenia zwilżalności pól lutowniczych i samego lutowia.
   
   
5. Korozja jonowa powoduje zwarcia lub rozwarcia w ścieżkach.
   
   
6. Degradacja międzyfazowa powodujące skrócenie czasu MTTF (Mean Time To Failure) dla urządzenia z powodu tworzenia się przewodzących włókien (CAF).

Pozostałe wymagania dotyczą przechowywania obwodów drukowanych, postępowania przy produkcji oraz ich pakowania na czas transportu. Zwykle producenci mają wdrożone odpowiednie procedury, które stosują prewencyjnie. Certyfikaty, takie jak ISO 9001 czy AS9100, wymagają opracowania i wdrożenia odpowiednich procedur. W międzynarodowym standardzie IPC-1601 (Printed Board Handling and Storage Guidelines) zostały opracowane wytyczne, które mają na celu ochronę płytek drukowanych przed zanieczyszczeniem, uszkodzeniami fizycznymi, degradacją lutowności, elektrycznością statyczną ESD (w razie potrzeby) oraz pochłanianiem wilgoci. Główną motywacją do opracowania normy była ograniczona aktualność i kompletność funkcjonujących dokumentów, które nie uwzględniały procesów lutowania bezołowiowego, jak również najnowszych technologii wytwarzania laminatów i pokryć zabezpieczających. W standardzie IPC uwzględniono rodzaje materiałów opakowaniowych, środowisko produkcyjne, sposób obchodzenia się z produktem, metody pakowania i transport. Ustalono również zalecane poziomy wilgotności, profile wygrzewania w celu usunięcia wilgoci oraz określono wpływ wygrzewania na lutowność płytki drukowanej. Jedyny funkcjonujący w branży standard skierowany jest przede wszystkim dla producentów płytek drukowanych. Znajomość jego wytycznych jest również szczególnie ważna do producentów elektroniki, którzy ostatecznie odpowiadają za jakość gotowego produktu.

Wymagania dotyczące pakowania i wysyłki laminatów

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na PCB producenci są zmuszeni nie tylko do usprawnienia i przyspieszenia produkcji, ale także do zapewnienia, że PCB dotrą do miejsca przeznaczenia w idealnym stanie. Większość producentów doskonale zdaje sobie sprawę z uszkodzeń spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi, które mogą wystąpić podczas montażu, a także wiedzą, że uwalnianie wilgoci podczas procesu lutowania może doprowadzić do uszkodzenia PCB. Nie należy jednak zapominać, że wrażliwość na wilgoć nie ogranicza się tylko do procesów produkcji. Ochrona przed wilgocią może stać się poważnym problemem podczas transportu i przechowywania. Pod wpływem nadmiaru wilgoci istnieje duże prawdopodobieństwo, że płytka drukowana przedwcześnie ulegnie degradacji i uszkodzeniu w docelowym urządzeniu. Z tego powodu producenci szukają nowych sposobów pakowania, przechowywania i transportu PCB, które zabezpieczą je przed uszkodzeniami spowodowanymi wilgocią. Jedną z powszechniej stosowanych metod jest pakowanie typu Skin Pack, które wykorzystuje podgrzewanie folii i zabezpieczenie próżniowe. Jako materiał ochronny wykorzystywana jest standardowa folia bąbelkowa oraz folia płaska, obie wykonane z polietylenu (PE). W ten sposób dodatkowo zabezpiecza się płytki przed uszkodzeniami mechanicznymi. Coraz częściej wykorzystuje się folie o specyfikacji ESD, a do opakowania dodawane są również wskaźniki wilgoci i pochłaniacze w postaci żeli.

 

Rys. 2. Przykład pakowania płytek PCB ze wskaźnikiem wilgoci i absorbentem

Standardowo, płytki drukowane nie są uważane za wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, chociaż wielu użytkowników wymaga ich pakowania w odpowiednie torby ochronne ESD, tak aby mogły przejść bezpośrednio do strefy montażu (strefy EPA) bez konieczności ponownego pakowania. Wraz z pojawieniem się na rynku płyt drukowanych zawierających wbudowane elementy pasywne i aktywne, otrzymana płytka drukowana może wymagać pakowania i ochrony ESD. Więcej informacji na ten temat zawarto w normie IPC-7092. Dostępnych jest wiele odmian opakowań ESD, niektóre z nich są odporne tylko na ładunki elektrostatyczne, inne mają własności rozpraszające ładunki czy ekranujące. Użytkownik odpowiednio wcześnie powinien określić specyfikację opakowania.

Poniższej opisano główne wymagania dotyczące pakowania, które musi spełnić dostawca płytek drukowanych typu flex, rigid-flex i semi-flex dla aplikacji krytycznych. Wymagania mogą zostać zapisane w postaci umowy, dokumentacji do zamówienia lub rysunku. Stosowanie ich jest konieczne w celu spełnienia wymagań jakościowych producentów elektroniki i ich odbiorców.

Przed transportem, płytki flex, rigid-flex i semi-flex powinny zostać w odpowiedni sposób osuszone. Zalecana przez IPC zawartość wilgoci przed pakowaniem powinna być ograniczona do 0,1% wartości wagowej w przypadku płytki drukowanej, która zostanie poddana procesowi lutowania w wysokiej temperaturze (do 260°C) lub maksymalnie 0,2%, w przypadku lutowania w niższej temperaturze (maksymalnie 230°C). Płytki powinny być również odpowiednio zapakowane:

• sucho; poziom wilgotności względnej wewnątrz opakowania nie może przekraczać 10%, płasko; w sposób uniemożliwiający ich wzajemne ścieranie i zginanie,
  
  
• w sposób zabezpieczający przed uszkodzeniami mechanicznymi,
  
  
• szczelnie w torbę MBB (Moisture Barrier Bag), która spełnia wymagania normy MIL-PRF-81705 typ I, zapobiegając zanieczyszczeniu, absorbcji wilgoci i powstawaniu korozji,
  
  
• materiał torby powinien w swojej konstrukcji zawierać metalizowaną warstwę; bezbarwne tworzywa sztuczne/polimery, które jej nie zawierają, zapewniają ograniczoną odporność na wilgoć i nie powinny być stosowane do suchego pakowania płytek, zwłaszcza przeznaczonych do montażu bezołowiowego,
  
  
• torba powinna mieć odpowiedni wskaźnik WVTR (Water Vapor Transmission Rate). WVTR to szybkość, z jaką para wodna przenika przez określoną grubość materiału barierowego. WVTR dla suchych płytek PCB powinien spełniać co najmniej wymagania normy IPC-J-STD-033 (WVTR ≤0,031 g/m2/24 godz.). Niższa wartość WVTR może zwiększyć trwałość płytki drukowanej lub zmniejszyć wymaganą ilość środka osuszającego,
  
  
• pochłaniacz wilgoci i wskaźniki wilgotności HIC (Humidity Indicator Card) powinny spełniać wymagania norm, MIL-D-3464, typ II w przypadku pochłaniaczy. Właściwe wytyczne odnośnie do ilości pochłaniacza w torbie zawarto w normie IPC-1601 (Załącznik B). HIC musi być zgodny z normą IPC/JEDEC J-STD-033, mieć trzy kolorowe wskaźniki o czułości 5%, 10% i 60% i nie może zawierać siarki oraz chloru,
  
  
• pochłaniacz wilgoci i HIC nie powinny być umieszczone bezpośrednio na płytkach, tylko wzdłuż krawędzi PCB (o ile jest to możliwe),
  
  
• należy unikać całkowitego uszczelnienia próżniowego, tak aby umożliwić absorbentowi spełnienie jego funkcji,
  
  
• w celu dodatkowej ochrony przed uszkodzeniem płytki powinny zostać ułożone na specjalnych usztywnieniach mechanicznych,
  
  
• płytki pokrywane warstwą immersyjnej cyny powinny zawierać materiał absorbujący siarkę o neutralnym pH, np. papier Silver Saver.

Do każdego zamówienia dostawca powinien dołączyć certyfikat zgodności (CoC – Certificate of Conformance), w stosownych przypadkach raport z inspekcji pierwszego artykułu FAI (First Article Inspection) według np. AS9102, wyniki testu zanieczyszczeń jonowych oraz wszelkie inne testy i pomiary wynikające z zawartej umowy, dokumentacji lub zamówienia zakupu. Na opakowaniu dostawca powinien umieścić kod i ilość danego produktu oraz datę jego zapakowania.

Artykuł pt. "Przechowywanie i ochrona płytek drukowanych FLEX, RIGID-FLEX i SEMI-FLEX Uwarunkowania montażowe dla aplikacji krytycznych" – publikacja mająca na celu promocję projektu pt. "Innowacyjne technologie montażu elementów na elastycznych podłożach FLEX dla aplikacji krytycznych, Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0". Projekt finansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego – Działanie 1.1: Projekty B+R przedsiębiorstw Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020.

Piotr Ciszewski
pciszewski@semicon.com.pl

Semicon Sp. z o.o.
www.semicon.com.pl