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工業(yè)除濕機(jī)中濕度對(duì)PCB的影響
PCB測(cè)試和檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，由于報(bào)廢或需要返工，意味著收益受損。缺陷可能是由于裸電路板、組件、材料或其他原因引起的。潮濕就是導(dǎo)致電路板故障的一個(gè)原因，但這是可以預(yù)先控制的。
發(fā)現(xiàn)電路板有缺陷，并不是好事。制造工藝進(jìn)行到這個(gè)時(shí)候，我們已經(jīng)在電路板組件上增加了很多價(jià)值，不能不去排除這些缺陷。電路板的缺陷是各種因素造成的。這些因素可能與組件有關(guān)，可能與裸電路板有關(guān)，也可能是工藝窗口太窄，有時(shí)甚至是電路板布局或電路板設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
底線(xiàn)是一清二楚的——盡量減少缺陷。組裝好的電路板一旦有缺陷，代價(jià)是很高的。
從處理原材料開(kāi)始，制造工程師和工藝工程師有各種方法來(lái)減少電路板的缺陷。在部件方面，我們通?？紤]組件和電路板，在工藝方面，檢查錫膏、模板、再流焊溫度曲線(xiàn)，是可能造成故障的原因。
還有一個(gè)地方我們可以減少電路板缺陷，這就是控制濕度，但這個(gè)方面經(jīng)常被人們所忽視。
濕度過(guò)高造成的缺陷
在上個(gè)世紀(jì)八十年代，人們就認(rèn)識(shí)到表面貼裝器件的潮濕敏感性可能是導(dǎo)致電路板故障的原因。1990年，IPC發(fā)布IPC-SM-786“建議用于處理潮濕敏感塑料IC封裝的方法”，專(zhuān)門(mén)解決這個(gè)問(wèn)題。有些基礎(chǔ)材料，如FR-4對(duì)潮濕有一定的敏感性。一塊裸電路板吸收了比正常情況下更多的水分，會(huì)造成尺寸的不穩(wěn)定，在涂敷錫膏、粘合劑和貼裝組件時(shí)，會(huì)引起一些問(wèn)題。
對(duì)于減少印刷工藝中與潮濕有關(guān)的缺陷，視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的作用有限，因?yàn)镻CB和模板之間的對(duì)準(zhǔn)是使用整體最佳調(diào)整的方法。
涂布粘合劑則好得多，它利用電路板上的基準(zhǔn)來(lái)修正整個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，減少膨脹和收縮對(duì)基礎(chǔ)材料的總體影響。
貼裝組件時(shí)，貼裝機(jī)利用同樣的視覺(jué)系統(tǒng)，還可以用多引腳細(xì)間距器件（QFP、TQF、TSSOP）附近的基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。修正X/Y/θ坐標(biāo)可以幫助你確定貼裝軸和組件中心，但仍然使用最符合算法使引腳對(duì)準(zhǔn)焊盤(pán)。電路板十分潮濕時(shí)，組件的貼裝勉強(qiáng)合格。不過(guò)，使用標(biāo)準(zhǔn)的共晶錫膏時(shí)，由于再流焊固有的自定心作用，這樣貼裝的組件還是可以接受。但是，目前的無(wú)鉛錫膏的反應(yīng)不一樣，在液相階段，自定心作用大大降低，或者完全沒(méi)有。
再流焊時(shí)，加熱潮濕的SMD封裝會(huì)使器件的封裝產(chǎn)生微裂紋，也可能使器件的結(jié)構(gòu)分層。在加熱過(guò)程中，隨著溫度升高，水分迅速蒸發(fā)。在再流焊溫度曲線(xiàn)的短暫保溫階段，這些蒸汽形成氣流，在封裝內(nèi)部發(fā)生微型爆炸。這種現(xiàn)象會(huì)造成引線(xiàn)連接斷裂以及基板或引線(xiàn)架產(chǎn)生微裂紋。
根據(jù)IPC/JEDEC J-STD-020D.1[1]，“非密封封裝在經(jīng)受再流焊的高溫時(shí)，它里面的水蒸汽壓力升高很多。在一定條件下，水蒸汽的壓力可能造成封裝材料與芯片和引線(xiàn)架基板在封裝內(nèi)部脫離，形成沒(méi)有延伸到封裝外表面的內(nèi)部裂紋、連接損傷、引線(xiàn)縮短、焊點(diǎn)翹起、芯片翹起、薄膜斷裂，或者在焊點(diǎn)下面形成弧坑。在最嚴(yán)重的情況下，應(yīng)力可能造成內(nèi)部封裝裂紋。這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為爆米花現(xiàn)象，這是應(yīng)力使封裝鼓起，然后發(fā)生爆裂聲，產(chǎn)生裂紋。再流焊時(shí)，SMD組件在較高溫度下，比插孔組件更容易受這個(gè)問(wèn)題的影響?！?br />
好在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于潮濕程度和產(chǎn)品失效時(shí)間的規(guī)定，以及從器件中驅(qū)除水分的方法，是可測(cè)量、可接受的。
不論潮濕會(huì)導(dǎo)致什么樣的具體故障，其結(jié)果都是電路板組件不能使用。這些由MSD的缺點(diǎn)而造成的電路板故障，可以用一些基本處理原則來(lái)防止。
由于軍用和其他高可靠性電路板組件制造商面臨使用商用現(xiàn)貨（COTS）組件，他們承擔(dān)起管理潮濕敏感組件（MSD）和基板的責(zé)任。IPC/JEDEC再次引用J-STD-033B.1[2,4-5]，對(duì)正確處理、包裝、運(yùn)輸、以及使用潮濕/再流焊敏感表面貼裝器件作出詳細(xì)說(shuō)明。
對(duì)于電路板組裝廠(chǎng)商，一旦把MSD從防潮袋（MBB）中取出時(shí)，J-STD-033B.1可以幫助他們制定延長(zhǎng)MSD儲(chǔ)存期限的可接受方法。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)存期限定義為“干燥包裝的潮濕敏感組件可以?xún)?chǔ)存在未開(kāi)封的防潮袋里，而防潮袋專(zhuān)用內(nèi)帶周?chē)臐穸炔怀^(guò)規(guī)定濕度的最短時(shí)間?！?br />
所有MBB都有一個(gè)濕度指示卡（HIC），告訴你防潮袋里的水汽含量。最典型的HIC用三種顏色標(biāo)記指示MBB里的相對(duì)濕度（RH），敏感值是5%、10%和60%。當(dāng)MBB里的濕度達(dá)到相應(yīng)的濕度值時(shí)，顏色標(biāo)記就改變顏色。印刷前，HIC上有說(shuō)明，它告訴使用者，是否需要重新設(shè)置產(chǎn)品失效時(shí)間。
根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于處在正常室內(nèi)溫度的MSD，延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間的最簡(jiǎn)單辦法之一是使用干燥劑防潮的干燥柜。
Shook和Googelle討論了，對(duì)于使用了對(duì)潮濕極敏感的器件的PCB，在組裝時(shí)，處理組件的獨(dú)特問(wèn)題[3]。在他們的論文中提到的各種處理辦法中，使用干燥柜儲(chǔ)存MSD抑制潮濕是一個(gè)安全有效的方法，可以長(zhǎng)時(shí)間安全地延長(zhǎng)MSD的儲(chǔ)存時(shí)間。
制造商都根據(jù)J-STD-020D.1，按照組件的潮濕敏感水平（MSL）給所有潮濕敏感組件打分評(píng)級(jí)，加上標(biāo)記。在組裝工廠(chǎng)，這個(gè)標(biāo)記幫助組裝人員確定并重新設(shè)置或暫停產(chǎn)品失效時(shí)間時(shí)鐘所需要的時(shí)間。
原先是干燥的SMD包裝，如果只是暴露在不超過(guò)30℃、60%RH的環(huán)境，可以使用干燥包或干燥柜在室溫下除濕、充分干燥，這就足夠了。如果使用干燥包，總的除濕暴露時(shí)間不超過(guò)30分鐘，則原來(lái)的干燥劑可以重新使用。
吸出水分
最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究[6]確定在適度特別低的防潮柜中從器件吸出的水分。這個(gè)試驗(yàn)在最壞的情況下用高吸水（有機(jī)吸濕）材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
總量為2000克的材料在水中浸泡，材料的吸水率為100%，然后把這些材料放進(jìn)一個(gè)超低濕度防潮柜。材料從浸泡到移入干燥柜的過(guò)程中失去水分約2%。材料和它所帶的98%的水分進(jìn)入防潮柜，防潮柜的溫度為62°F，相對(duì)濕度為37%。
一般制造設(shè)備的環(huán)境溫度和濕度在一年中可能很一樣。洛杉磯和長(zhǎng)灘的環(huán)境濕度就是一個(gè)很好的例子。長(zhǎng)灘的平均濕度在早上是80%，中午是54%，而洛杉磯在早上是79%，但中午只降到65%，而長(zhǎng)灘和洛杉磯的距離只有25英里多一點(diǎn)。
電子制造是在溫度和濕度受控制的廠(chǎng)房里進(jìn)行的。要努力把環(huán)境的溫度控制在68°F-72°F的范圍里，相對(duì)濕度控制在40-60%。
在超低濕度防潮柜從組件中吸出水分的條件下，不加熱，使用者就能達(dá)到J-STD-033B.1規(guī)定的干燥時(shí)間要求。對(duì)于MSL4、5和5a，如果暴露時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)，防潮柜需要10×暴露時(shí)間，才能使SMD足夠干燥，可以根據(jù)這個(gè)時(shí)間重新設(shè)置產(chǎn)品儲(chǔ)存時(shí)間。把相對(duì)濕度能夠維持在不高于5%的干燥包或防潮柜中，就可以做到這點(diǎn)。
與此同時(shí)，IPC/JEDEC只認(rèn)可一種主動(dòng)加熱方法，對(duì)貼裝好的和未貼裝好的SMD封裝進(jìn)行干燥，加熱時(shí)的最低溫度為40℃，最低相對(duì)濕度為5%。使用超低濕度電子防潮箱是有效的干燥方法，可以延長(zhǎng)SMD封裝的儲(chǔ)存時(shí)間，避免使用IPC/JEDEC認(rèn)可的重新設(shè)置方法。
主動(dòng)干燥與電子防潮箱的比較
高能效超低濕度防潮柜的功率約為56瓦，而小型干燥設(shè)備的功率是2.2千瓦。在75小時(shí)的研究過(guò)程中，防潮柜消耗的電能比一個(gè)小型干燥爐2小時(shí)消耗的電能少之又少。
超低濕度干燥在很多方面都對(duì)電路板質(zhì)量起正面影響。主動(dòng)加熱系統(tǒng)在干燥組件和裸電路板時(shí)，組件和電路板要經(jīng)歷溫度循環(huán)。在標(biāo)準(zhǔn)再流焊爐中也要經(jīng)歷類(lèi)似的循環(huán)。主動(dòng)干燥有可能引起封裝開(kāi)裂、分層、鋁金屬變形以及連接失敗，這是由于封裝材料包含的各種物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)（CTE）不一樣的緣故。
主動(dòng)加熱去濕的溫度曲線(xiàn)需要適當(dāng)?shù)臏囟壬仙訜犭A段和溫度下降冷卻階段來(lái)盡量減少對(duì)元件和電路板的熱沖擊。干燥爐的環(huán)境回到室溫所需要的時(shí)間限制了庫(kù)存器件從儲(chǔ)存室移出，接著，干燥爐又需要一個(gè)溫度上升時(shí)間回到干燥循環(huán)，庫(kù)存器件又經(jīng)受另一個(gè)溫度循環(huán)。
監(jiān)測(cè)
現(xiàn)在的一些制造執(zhí)行軟件（MES）系統(tǒng)包括識(shí)別和報(bào)警模塊，能夠提醒使用者注意潮濕敏感元件在時(shí)間上的限制。有效使用這些工具能夠防止過(guò)度潮濕造成的損害，組裝人員可以確認(rèn)在整個(gè)過(guò)程中關(guān)鍵器件是不是妥善儲(chǔ)存和處理。有些供應(yīng)商SMD所經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)。
結(jié)論
本文討論了一個(gè)常常被忽視，卻能減少電路板缺陷的方法。這個(gè)方法的要點(diǎn)是適當(dāng)處理元件和PCB。糾正潮濕問(wèn)題能夠減少或者消除與潮濕有關(guān)的缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量和收益。
只要在可移動(dòng)超低濕度防潮箱上花點(diǎn)錢(qián)，把這些電子防潮箱放在制造車(chē)間的適當(dāng)位置，就可以控制潮濕問(wèn)題。生產(chǎn)車(chē)間收到潮濕敏感器件和電路板時(shí)，可以把它們放進(jìn)可移動(dòng)的電子防潮箱，送進(jìn)儲(chǔ)存室，在組裝時(shí)把全套組件拿到生產(chǎn)車(chē)間。只在需要時(shí)，把同樣這些防潮箱移到組裝生產(chǎn)在線(xiàn)，把組件拿出來(lái)，從而減少器件暴露在周?chē)諝?、溫度和濕度之下?
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