Новые требования при работе с электронными компонентами с повышенной чувствительностью к влажности в условиях перехода к бессвинцовым технологиям

Станислав Гафт

В процессе оплавления электронные компоненты подвергаются воздействию высокой температуры и химических веществ, находящихся во флюсах и отмывочных жидкостях. Влага проникает внутрь электронных компонентов в пластмассовых корпусах преимущественно через корпус (и вдоль выводов микросхем в керамических корпусах). Быстрое испарение влаги во время оплавления приводит к повышению гидростатического давления внутри электронных компонентов. Различие в значениях коэффициентов теплового расширения для различных материалов,
используемых в конструкции полупроводниковых приборов (пластмассы, кремний, металл рамки и соединительных проводников), приводит к возникновению дополнительных напряжений. Указанные причины повышают риск повреждения электронных компонентов: образование микротрещин в кристалле, обрыв соединительных проводников и, наконец, образование микротрещин в пластмассовом корпусе. И если первые два типа дефектов, как правило, легко диагностируются в процессе производства, то образование микротрещин в корпусе относится к
разряду скрытых дефектов, поскольку через эти трещины внутрь электронных компонентов попадают ионные загрязнения и влага, которые приводят к отказам в процессе эксплуатации. Стоимость ремонта подобных изделий обходится производителю особенно дорого, так как они выходят из строя уже у потребителя.

В условиях перехода к бессвинцовым технологиям вероятность появления названных дефектов резко возрастает, в первую очередь она связана с повышением температуры плавления новых припоев с 183 до 217 °С, и, как следствие, с необходимостью повышения температуры в зоне оплавления

на 40 °С. Для предупреждения дефектов такого типа фирмами-изготовителями электронных компонентов регламентируется ряд требований, соответствующих новой классификации по уровням чувствительности к влажности, и настоятельно рекомендуется проведение специальных мероприятий, касающихся способов хранения, упаковки, маркировки и транспортировки.

Классификация электронных компонентов по степени чувствительности к влажности

Согласно международному стандарту IPC JEDEC J-STD-020C электронные поверхностно-монтируемые компоненты (SMD-компоненты) в негерметичных корпусах подразделяются по чувствительности к влаге на восемь уровней (см. таблицу). Уровень присваивается в соответствии с условиями производства, хранения, временем термообработки перед установкой и т. д.

Данная информация отображена с помощью специальной маркировки на влагонепроницаемом изделии.

1. Поставщики могут под свою ответственность увеличивать время термообработки.

2. ВНИМАНИЕ! Данные по ускоренному эквиваленту выдержки не должны использоваться в следующих случаях: до установления реакции на разрушение (включая электрические, после термообработки и оплавления) или если энергия активации при диффузии составляет 0,4-0,48 эВ. Длительность термообработки в условиях ускоренного эквивалента может изменяться в зависимости от свойств материала: например для штампованного композитного материала, для материала корпуса и пр. Документ JEDEC JESD22-A120 предлагает метод для
определения коэффициента диффузии. 3. Стандартное время между термообработкой и упаковкой для полупроводниковых компонентов у производителя — 24 часа. Соответственно, максимально допустимое время нахождения электронных компонентов вне упаковки у дистрибьютора также принимается равным 24 часам. Если компоненты находились вне упаковки менее 24 часов, время термообработки может быть сокращено. Для условий 30
°С и 60% относительной влажности время термообработки сокращается на столько же часов, на сколько время нахождения компонентов вне упаковки меньше 24 часов.

Таблица. Классификация электронных компонентов в зависимости от чувствительности к влажности

Если компоненты находились вне упаковки больше 24 часов, время термообработки необходимо увеличить. Для условий 30 °С и 60% относительной влажности время термообработки увеличивается на столько же часов, на сколько время нахождения компонентов вне упаковки больше 24 часов.

Способы хранения и транспортировки

Способы хранения, упаковки и транспортировки в условиях производства чувствительных к влаге SMD-компонентов описаны стандартом IPC/JEDEC J-STD-033A (дополнительная информация на сайте www.jedec.org).

Электронные компоненты и модули должны быть упакованы во влагонепроницаемые пакеты, в соответствии с требованиями стандартов. В пакеты должно быть вложено вла-гопоглощающее вещество (силикагель) в необходимом количестве, обеспечивающее относительную влажность внутри пакета менее 20% в течение года с момента упаковки, а также индикаторная карточка для определения влажности. После этого пакет должен быть запаян под небольшим разрежением. На упаковку с внешней стороны должна быть наклеена этикетка с указанием
даты выпуска и уровня чувствительности к содержанию влаги.

Хранить упакованный компонент необходимо при температуре не выше 40 °С и относительной влажности не более 90%. Индикаторная карточка — единственная возможность обнаружить превышение допустимого предела влажности внутри пакета. По состоянию компонентов нельзя точно определить значения влажности. Поставка компонентов, вклеенных в ленту, подразумевает предварительную термообработку (у изготовителя).

Цата упаковки компонентов отображена на этикетке, наклеенной на пакет. Срок годности SMD-компонентов во влагостойкой упаковке составляет 12 месяцев со дня упаковки. Если срок хранения превышен или индикатор показывает уровень влажности более 20%, то после вскрытия перед использованием необходимо провести термообработку.

После поведения термообработки необходимо:

• использовать компоненты;
• заново запаять компоненты под небольшим разрежением в новом проверенном влагонепроницаемом пакете в течение 12 часов, с новым влагопоглощающим веществом, новой индикаторной карточкой и обязательным заполнением данных на этикетке (дата упаковки и уровень чувствительности к влажности). Использование в качестве вспомогательных материалов для упаковки скрепки, изоляционной ленты и ткани недопустимы;
• изделия без упаковки следует хранить в шкафах сухого хранения (рис. 1) при значениях относительной влажности менее 20%.

Если в условиях реального производства печатных узлов не удается выдержать параметры хранения электронных компонентов в соответствии с требованиями соответствующих стандартов (см. таблицу), значения названных параметров необходимо восстановить до соответствия конкретному уровню. Это относится и к процессу упаковки готовых компонентов, и к производственному процессу непосредственно перед монтажом на печатные платы, хранению полуфабрикатов в технологических заделах, на технологических переходах и т. д.

Для восстановления характеристик компоненты должны быть подвергнуты одному из двух процессов:

Обеспечение условий для поддержания влажности на заданном уровне актуально в случаях, если:

• невозможно выдержать установленный временной промежуток между термообработкой и упаковкой электронных компонентов в условиях реального производства;
• экономически целесообразно хранение электронных компонентов и полуфабрикатов печатных узлов без специальной упаковки;
• необходима минимизация времени выдержки компонентов и печатных плат непосредственно перед загрузкой в линию автоматического монтажа.

В условиях многономенклатурного производства для уменьшения непроизводительных простоев, связанных с переналадкой автоматов, технически целесообразно и экономически оправдано хранение питателей с компонентами непосредственно в шкафах сухого хранения (рис. 3).

Рис.2. Промышленные печи серии PV/PH производства компании ESPEC Corp., Япония

Идеальный вариант для обеспечения этих требований — шкафы сухого хранения с поддерживаемым уровнем влажности воздуха или азота (рис. 1, 3).

Мобильное исполнение шкафов сухого хранения (на колесах) позволяет доставлять электронные компонента и печатные платы непосредственно на участок монтажа (рис. 4). Это обстоятельство позволяет минимизировать время нахождения электронных компонентов в неконтролируемых с точки зрения поддержания влажности условиях.

Неуклонное выполнение всех указанных выше условий по хранению, транспортировке и упаковке электронных компонентов позволит резко снизить количество отказов, связанных с влиянием влажности, и обеспечить высокий уровень качества и надежности выпускаемой продукции в условиях перехода к бессвинцовым технологиям.