JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Komponenter och kort som förvarats fel kan förstöras vid lödprocessen, skriver Björn Häggström på Matronic.
Björn Häggström är vd på Matronic, ett företag som säljer produktionsutrustning och förbrukningsmaterial till elektronikindustrin.

Det finns inga genvägar när det gäller hanteringen av fuktkänsliga komponenter (MSD, Moisture Sensitive Devices) utan hanteringen måste vara systematiserad och noggrann.

Om en komponent anges ha fuktkänslighetsklass 3 (MSL - Moisture Sensitivity Level) så innebär detta att den ”tål” 168 timmar i 30 °C och 60 procents relativ luftfuktighet. Vid lägre temperatur och lägre relativ luftfuktighet har komponenten längre ”hållbarhet” men även vid 10 procents relativ luftfuktighet kommer komponenten att ta upp fukt.

Detta innebär att man måste ha kontroll över hur länge komponenterna varit ute i produktionen, samt vilken temperatur och relativ luftfuktighet var och en utsatts för. En övergång till en blyfri lödprocess med en högre temperatur medför också att riskerna för skador som orsakas av fukt i komponenter ökar.

Ett fuktkänsligt material tar upp fukt och upptaget ökar med ökad temperatur och ökad relativ luftfuktighet. Varm luft kan innehålla mer fukt varför samma procentsats relativ luftfuktighet innebär att luften innehåller mer fukt vid en högre temperatur än vid en lägre. Exempel på material som tar upp fukt är de typer av epoxi som används inom elektroniken både för att kapsla komponenter och i mönsterkort.
Image
Texas Instruments anger olika hållbarhetstider på sina komponenter beroende på temperatur och relativ luftfuktighet, och om komponenten ska användas i en blyad eller blyfri process

De allra flesta aktiva kretsar som är ingjutna i något polymert material är klassade som fuktkänsliga, medan mönsterkort - åtminstone ännu så länge - inte är klassade som fuktkänsliga. Trots det bör man innan en reparation på ett kretskort torka kortet för att inte det ska skadas av fukten. Annars riskerar man att kortet delaminerar när inneslutet vatten börjar expandera under reparationsprocessen.

Hos leverantören förpackas därför fuktkänsliga komponenter tillsammans med torkmedel i speciella påsar som inte släpper igenom fukt, så kallade ”moisture barrier bags”, MBB. Vid ankomstkontrollen är det viktigt att kontrollera att påsen är hel. Skulle påsen vara skadad måste fuktnivåetiketten, ”humidity indicator card”, HIC, kontrolleras för att avgöra om komponenten tagit upp fukt.

Om en fuktskadad komponent löds in på kretskortet kan så kallad popcorneffekt uppstå, det vill säga att den inneslutna fukten expanderar okontrollerat under omsmältningsprocessen och komponenten upphör att fungera på grund av delaminering eller avslitna bondtrådar.

I värsta fall fortsätter komponenten att fungera en tid, men sprickorna i plastkapslingen gör att syre och fukt nu kan oxidera chipet och komponenten kan till exempel upphöra att fungera när produkten befinner sig hos slutkund. Kostnaderna för ett sådant haveri är naturligtvis avsevärd och medför även badwill för tillverkaren av kretskortet

I en blyad process är maxtemperaturen i storleksordningen 210-220°C medan den i en blyfri lödprocess i vissa fall kan ligga upp mot 240-250°C. Denna skillnad i temperatur innebär att ångtrycket blir dubbelt så högt. Det kan i sin tur medföra att komponenter, trots att de innehållit fukt, kan ha klarat en blyad process medan samma komponent skulle skadas i en blyfri process. Komponenttillverkarna måste ta hänsyn till detta. Ett exempel är Texas Instruments som anger att en komponent har en lägre fuktkänslighetsklass om den ska användas i en blyad lödprocess än om den ska användas i en blyfri process, se figur ovan.

En övergång till en blyfri process medför att kraven på hantering av fuktkänsliga blir än mer känslig. Inte bara förvaringen av komponenter måste beaktas, utan även sådant som tid i produktion samt förvaring av kort som är lödda på primärsidan och mellanlagras i väntan på att bestyckas på sekundärsidan.

Det är även nödvändigt att utbilda personalen, så att alla är införstådda med MSD-problematiken och de skador och kostnader som kan uppstå vid felaktig hantering. Idag har de flesta företag någon form av ESD-rutiner och utrustning för att skydda sig mot denna typ av skador, men hur många företag har en väl fungerande MSD-policy?
Image
Tabellen från IPC anger i dagar hur länge en komponent klarar sig efter att förpackningen brutiits, utan risk för popcorneffekt eller andra skador.

Den fuktkänslighetsklass som anges för en komponent talar om hur länge komponenten kan befinna sig ute på ”golvet” vid 30°C och 60% relativ luftfuktighet, ett förhållande som inte förekommer så ofta i Sverige. Men det innebär inte att riskerna försvinner vid lägre temperatur eller lägre relativ luftfuktighet. MSL 3 innebär att komponenten klarar 7 dagar ute i öppnad förpackning vid 30°C och 60 procents relativ luftfuktighet, men dubbelt så lång tid, det vill säga 14 dagar, vid 20°C och 30 procents relativ luftfuktighet.

I industristandarden IPC/JEDEC J-STD-033B, som publicerades i oktober 2005, finns en omvandlingstabell för hur öppettiden varierar med olika temperatur och relativ luftfuktighet. Så även om vi Sverige sällan har de förhållanden som ligger till grund för fuktkänslighetsnivån så kommer komponenterna att ta upp fukt oberoende av var i Sverige och när på året komponenterna hanteras.

Torr luft medför större risk för ESD-problem, varför man i vissa produktionslokaler har ett kontrollerat klimat, till exempel en relativ luftfuktighet på 50 procent. Detta innebär förstås att hanteringen av komponenter i klimatkontrollerade utrymmen är kritisk. Studerar man återigen IPC-tabellen för MSL3 25°C 50% RH så finner man att öppettiden för en komponent under sådana förhållanden är 9 dagar, alltså snubblande nära

IPC-standardens riktvärden för maximal exponeringstid.

Många företag har idag förmodligen inte ens reflekterat över detta förhållande utan har helt fokuserat på att uppnå ett så bra ESD-skydd som möjligt. Uppvaknandet kan dessvärre komma som en kalldusch.

Låt säga att man får ett seriefel på grund av felaktig förvaring av en BGA-komponent och fuktinträngning har skett. Innan felet uppdagats har redan 200 kort hunnit produceras, men endast 25 procent av de fuktskadade komponenterna har råkat ut för popcorneffekten, alltså totalhaveri under tillverkningsprocessen. Hur många komponenter skall då bytas? Enbart kostnaden för reparation torde vara skrämmande. Därtill kommer komponentkostnaden.

Hur ska då fuktkänsliga komponenter hanteras? De krav som vanligtvis ställs vid en revision av MSD-hanteringen är att man uppfyller kraven i IPC/JEDEC

J-STD-033B. Detta innebär att alla kraven måste uppfyllas och inte bara de som passar. Fuktkänsliga komponenter ska förvaras i torrskåp eller i förslutna påsar med fuktspärr (MBB), oftast tillsammans med torkmedel och fuktnivåetikett (HIC). Inomhusklimatet varierar med utomhusklimatet i de flesta produktionslokaler och därför är det viktigt att inomhusklimatet hela tiden loggas så den sammanlagda exponeringstiden för komponenterna kan summeras.

Förutom själva hanteringen av komponenterna innebär detta också att även utrustningen som används måste uppfylla standarden. För ett torrskåp är kravet att det ska komma ner i en relativ luftfuktighet under 5% på 1 timme efter att dörrarna öppnats och stängts. Detta är en av de viktigaste parametrar som måste kontrolleras innan man bestämmer sig för vilket skåp som ska köpas.
Image
Torrskåp för komponentförvaring

Kostnaden för ett torrskåp varierar även med vilken typ av torkteknologi samt prestanda man önskar. Investeringskostnaden börjar vid cirka 20 000 kronor för små, enklare modeller, och går upp till cirka 85 000 för de större 1800-liters skåpen med avancerad styrelektronik. Investeringskostnaden kan vid en första anblick tyckas hög, men, om man antar att BGA-komponenten i tidigare beräkningsexempel kostar 2000 kronor per styck inser man snabbt att ett bra MSD-skydd lönar sig i det långa loppet.

För mer information, se IPC/JEDEC J-STD-033B. October 2005. Joint Industry Standard. Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices.
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus