התמודדות עם נזקי לחות במעגלים מודפסים

מאת: Fred Renard, Totech EU, שרגא דבורצקי ומשה לוי,ממטק (סיס.) בע”מ

קוים מנחים לאחסון נכון והגנה בפני לחות של רכיבים אלקטרוניים מפורטים בתקן IPC/JEDEC-STD-033B.1. נושא בקרת הלחות במעגלים מודפסים הוזנח מכיוון שלא היו פרסומי סטנדרטים לאחסון והגנה מפני רטיבות למעגלים מודפסים עד שנת 2010. אך בעזרת בקרת אחסון נכונה ושימוש בשיטות יבוש מקצועיות ניתן לקבל יתרונות משמעותיים בהתנהגות המעגלים המודפסים בתהליכי הייצור: מעגלים מודפסים מצופים יישארו ברי הלחמה למשך זמן ארוך יותר זאת על ידי ביטול נזקי הלחות המשפיעים על תהליך הלחמת הגל והריפלו.
חלק מתהליכי הייבוש נעשים בתהליך של אפייה. אפייה הינו תהליך יבוש שבו מתבצעת אפייה של המעגל המודפס בטמפרטורות גבוהות מנקודת הרתיחה של המים, תהליך הייבוש באפייה אכן קצר יותר מתהליכי הייבוש בטמפרטורות נמוכות, אך יש לו מגרעות כגון מאמצי התפשטות מכאניים של המעגל המודפס והתחמצנות מוגברת.
התקן and storage קובע ש“התשובה הפרקטית לבקרת תהליך בלתי יעילה שבה המעגלים המודפסים ספחו לחות רבה הינה אפיה” התקן ממשיך וקובע “ברם אולם תהליך האפייה לא רק מעלה את המחיר ואת זמן המחזור, תהליך האפייה גם מזיק ליכולות ההלחמה של המעגל המודפס, האפייה מצריכה טיפול יתר במעגל המודפס ומעצימה את ההסתברות לבעיות הנובעות משינוע וזיהום. באופן כללי, ההמלצה ליצרן ולמשתמש היא לנסות להימנע מאפייה ולהקפיד על טיפול יעיל, אריזה נכונה, אחסון נכון ובקרת תהליך קפדנית…”
המסמך קובע גם “אפייה אינה מומלצת במעגלים מודפסים בעלי ציפוי OSP מכיוון שתהליך האפייה פוגע בציפוי הפדים. אם בכל זאת ה”אפייה” הכרחית ההמלצה היא להשתמש בזמן “אפייה” קצר ובטמפרטורה הנמוכה ביותר כנקודת התחלה.

איור 1 לאיכות האריזה של המעגל המודפס ישנה חשיבות רבה. מכונה לאריזה בואקום עם שקיות MMB

איור 2 אחסון בטוח ואפקטיבי של מעגלים מודפסים בחללים אולטרא יבשים עם “וואקום של לחות” הסופחת לחות מהמעגלים המודפסים

איור 3 תופעת הפרדת שכבות (דילימינציה) עקב הלחות במעגל המודפס

ציפויי ה-OSP נפוצים ביותר בשימוש בתהליכי הלחמה נטולת עופרת, כיוון שהם מאפשרים שילוב אטרקטיבי של מחיר נמוך, יכולת הלחמה מעולה ונוחות בתהליך. יש לציין שבהשוואה לציפויים אחרים OSP רגיש במיוחד לחמצון.
הרגישות לחמצון נובעת מכך ששכבת ה-OPS שנעשה ישירות על הנחושת וזו הינה ההגנה היחידה של הנחושת הטהורה. לאחר מספר דקות מועט של שהיית המעגל המודפס בתנאי סביבה של רצפת הייצור נוצרת שכבת מים (3-5 אטומים) על גבי הנחושת. לאחר מכן שכבת המים הזו מתחילה להתנדף ואדי המים יוצרים לחץ שמנסה להפריד את שכבת הציפוי מהנחושת.
בנוסף “אפייה” מאיצה את תהליך הדיפוזיה בין מתכות וכן מגדילה את השכבה האינטר-מטאלית דבר המשפיע על איכות ההלחמות וחוזקן (ככול שהשכבה האינטר-מטאלית גדולה חוזק ההלחמה קטן). הדבר יכול להוביל לתופעות של החלשות חיבור ה”מיניסקוס” של ההלחמה (week knee) ולבעיות הלחמה אחרות כאשר השכבה האינטר-מטאלית באה במגע עם האוויר ומתחמצנת.
הפיתרון לבעיית הייבוש בתהליכי אפייה הינה הימנעות מהצורך לייבש את המעגל המודפס לפני כניסתו לתהליך הייצור. משמע איחסון של המעגל המודפס בחלל יבש אשר ימנע מהמעגל המודפס לספוח לחות עקב היחשפות לסביבה לחה. כמו כן לאיכות האריזה של המעגל המודפס המתקבל מהיצרן יכולה להיות גם כן השפעה חשובה ומכריעה. לעיתים קרובות יצרנים משתמשים לאריזה בשקית פשוטה או בשקית ESD במקום באריזה למניעת רטיבות (ראו איור 1) . לוחות המגיעים באריזה כזו מגיעים כשהם ספחו כמות נכבדה של לחות, אכסון בצורה זו יגרום ללוחות להיות בלתי ניתנים לשימוש לאחר זמן לא רב. שחרור הלחות וספיגתה על ידי אחסון הלוחות בארונות יבוש, היא דרך לקבלת יבוש מבוקר של לוחות אלה ושל התקנים אחרים הרגישים ללחות.
אחסון בטוח ואפקטיבי של מעגלים מודפסים ניתן להשגה ללא גרימת נזק מטמפרטורות גבוהות, על ידי שימוש בחללים אולטרא יבשים (ראו איור 2) עם כמות מאוד נמוכה של לחות. משמע אחסון בארונות היוצרות אטמוספרה המכילה פחות מ-0.6 גרם מים למטר מעוקב. אטמוספרה זו יוצרת וואקום של לחות המושכת אליה את הרטיבות ומשחררת מהמעגלים המודפסים את הלחות שהצטברה בהם, כאשר במקביל מתבצעת הגנה נגד חמצון ונגד גדילת החיבור האינטר-מטאלי. סביבה זו מצוינת גם לאחסון מעגלים מודפסים לזמן בלתי מוגבל, לפי הסטנדרטים של IPC. בנוסף, תהליך ההתחמצנות נעצר על ידי הרחקת המולקולות הדיאלקטיות של המים. מכיוון שהאכסון והייבוש נעשה בטמפרטורת החדר ניתן לשמור את הלוחות בסביבה זו עד לשימוש. ייבוש ואחסון של מעגלים מודפסים בעלי ציפוי OSP בדרך זו מהווה צורת אחסון אידיאלית לאורך זמן, תוך כדי שמירה על מאפייני ההרטבה של המעגל המודפס בזמן התהליך.
אחסון בייבוש הכרחי גם עבור ציפויים פחות רגישים. לדוגמה, בעבר ההרטבה של מעגלים מצופי בדיל באוויר חם הייתה טובה יותר מאשר מעגלים מצופי OSP. במעגלים אלו החמצון נוצר על המשטח החיצוני, בגלל ההשפעה של הלחות השפעה אשר גורמת בסופו של דבר למגבלה על יכולת ההרטבה הטובה ועל הלחמות איכותיות. את חמצון המעגל אפשר למנוע על ידי שימוש בארונות ייבוש אשר שומרים על תכונות ייובש מבוקרות לאורך זמן.
בטכנולוגית הייבוש הקר (Desorption) בנוסף להארכת זמן האחסון האפשרית של הלוחות ניתן למנוע נזקים ללחות בתהליך הריפלו כגון תופעת הפופקורן והפרדות שכבות (דילמינציה) הנגרמים עקב הלחות הקיימת במעגל המודפס (ראו איור 3)

תנאי יבוש למעגלים מודפסים בלי רכיבים
מדידת “חיי רצפת יצור”* של המעגל מתחילים מחדש משמע זמן=0 לאחר הייבוש
המעגלים היו חשופים ללחות יחסית של 60%
המעגל בנוי מאפוקסי FR4

זמני הייבוש המומלצים הוגדרו בהתאמה ל-IPC-STANDARD J-STD 033B.1 המיועד ליבוש רכיבים נוכח העובדה שהסטנדרטים לא כללו בתוכם יבוש של מעגלים מודפסים המדידות נערכו על לוחות ניסוי. ניסויים אלו הראו שרמה שלישית של סטנדרט IPC לרכיבים הוא המתאים להתנהגות של מעגלים מודפסים. יוצאים מהכלל היו מעגלים מודפסים מרובי שכבות עם שכבות נחושת לחלוקה. העובי שלהם היה צריך להיות מוכפל בפקטור של 2 לפני הייבוש. בגלל שלשכבות אלו יכול להיות השפעה חזקה על מהירות הורדת הלחות, הגדרות אלו יכלו להיחשב רק כקווים מנחים.
בהתחשב במורכבות של ההשפעות בכול מעגל ומעגל יהיה אפשר לשפוט את התנהגות המעגל המודפס הספציפי רק על ידי הרצת מבחן יבוש.
תנאי המבחן:
1. פתיחת דלת הארון למשך 20 שניות כל שעה במשך 7 ימים רצופים. נפח ומשקל ימדדו כל יום כדי לנטר את יחס היבוש.
2. הציוד שהיה בשימוש בזמן המבחן
Totech, HSD-1106:1%RH, 25°C
Totech, SD-1106: 2%RH, 25°C
Totech, XSD-1404:1%RH, 60°C
* חיי רצפת יצור הוא פרמטר הקובע לכל רכיב ורכיב את אורך החיים שלו באחסון בסביבת רצפת היצור ללא אחסנה יבשה. תהליכי הייבוש לעיל מאפסים את מונה חיי ריצפת היצור והרכיב מוגדר כחדש.
ממטק (סיס.) בע”מ הינה הנציגה של הבלעדית של Totech בישראל.