Leitfaden zur Feuchtigkeitsempfindlichkeit in PCB

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Während die Auswirkungen der Delaminierung durch Wärmebildgebung und akustische Mikroskopie erkannt werden können, zeigen sie sich nicht immer in Form von offensichtlichen Symptomen wie Verfärbungen und Blasenbildung auf der Oberfläche. Insgesamt ist es sehr zu bevorzugen, zu verhindern, dass Feuchtigkeit die Leiterplatte überhaupt erreicht. Dieser Schutz kann durch Prozesse wie Vorbacken und ordnungsgemäße Lagerung erreicht werden. Das Design der Leiterplatte kann auch beeinflussen, ob Feuchtigkeit mehr oder weniger wahrscheinlich ein Problem darstellt. Eines der beunruhigendsten Probleme bei Leiterplatten (PCBs) betrifft das Vorhandensein von Feuchtigkeit. Wenn innerhalb einer Leiterplatte Feuchtigkeit vorhanden ist, kann die dadurch verursachte Destabilisierung eine delaminierende Wirkung auf die Oberflächenelemente haben. Bei jeder Lötung oder Nachbearbeitung der Leiterplatte kann sich die Delaminierung aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts leicht ausdehnen.

Wie Feuchtigkeit eine Leiterplatte beeinflussen kann

Das Vorhandensein von Feuchtigkeit kann zu verschiedenen Funktionsausfällen auf einer Leiterplatte führen, je nachdem, welche Bauteile oder Leiterbahnen bei der Diffusion damit in Kontakt kommen. Feuchtigkeit kann in den Grenzflächen von Epoxidglas, Harz oder Glas eitern und Risse in einer Platte verursachen. Probleme, die üblicherweise mit Feuchtigkeit verbunden sind, umfassen verlangsamte Schaltungsgeschwindigkeiten und erhöhte Verzögerungszeiten bei den Funktionen eines entsprechenden Geräts. Wenn das Problem eine bestimmte Grenze überschreitet, kann das Gerät möglicherweise einfach nicht aktiviert werden.

Es wurden Tests durchgeführt, die die Auswirkungen der Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe in Leiterplatten zeigen. In einer Leiterplatte mit plattierten Durchgangslöchern unterschiedlicher Dichte haben eingeschlossene Feuchtigkeitsmengen je nach Abstand zwischen den einzelnen Löchern unterschiedliche Desorptionsraten. Bei stark gesättigten PCBs kann die Desorption in Hochtemperaturumgebungen Hunderte von Stunden dauern.

Wenn eine Leiterplatte in einer Umgebung platziert wird, in der der atmosphärische Feuchtigkeitsdruck den Widerstand der Leiterplatte und ihrer Komponenten übersteigt, kann Feuchtigkeit in die Leiterplatte eindringen. Um eine Feuchtigkeitsdelaminierung auf einer Leiterplatte zu verhindern, sollte das Löten nur bei hohen Temperaturen von weniger als 0,1 Prozent Feuchtigkeitsgehalt oder bei niedrigen Temperaturen von weniger als 0,2 Prozent Feuchtigkeitsgehalt durchgeführt werden. Hochtemperaturlöten würde um 260 Grad Celsius schweben, während Niedertemperaturlöten im Bereich von 230 Grad Celsius liegen würde.

Feuchtigkeit erkennen und entfernen

Wenn die Fähigkeit einer Leiterplatte gemessen wird, elektrische Energie zu speichern, kann eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Leiterplatte festgestellt werden. Dabei werden kapazitive Sensoren eingesetzt. Kapazitätspegel bewegen sich umgekehrt proportional zur Lochdichte. Wenn letzteres hoch ist, ist ersteres niedrig, weil der Abstand zwischen der Feuchtigkeit und der Oberfläche geringer ist, aber mehr Platz für das Entweichen der Feuchtigkeit besteht.

Bei Nicht-PTH-Leiterplatten nimmt die Kapazität schneller ab. Daher ist weniger Backzeit erforderlich, damit diese Platten einen ausreichend niedrigen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Auf PTH-Platten gibt es weniger Platz auf der exponierten Oberfläche, damit die Feuchtigkeit entweichen kann.

Aufgrund der umgekehrten Wirkung von Kupferflächen auf den Desorptionsprozess sollten sie unter Berücksichtigung ihres Designs gebacken werden. Einerseits kann man Feuchtigkeit besser aus einer Platine entfernen, indem man den Backprozess länger laufen lässt, aber dadurch könnte die Lötbarkeit und Funktionsfähigkeit der Platine beeinträchtigt werden. Folglich sollte die Backzeit gemessen werden, um diese möglichen Nebenwirkungen zu vermeiden.

Der Prozess der Feuchtigkeitsentfernung führt nicht immer zu vorhersagbaren Ergebnissen. Zum Beispiel könnte ein Paar identischer Kupferplatten während des Backens einen zentralen Feuchtigkeitsaufflammen erfahren, nur um sich kurz darauf zu verteilen. Wenn diese vorübergehende Feuchtigkeitsschwellung in einem Bereich der Platte auftritt, in dem eine Delaminierung am wahrscheinlichsten ist, könnte dies eine unbeabsichtigte Nebenwirkung des Backens sein.

Bei einigen Platten ist eine Feuchtigkeitsentfernung einfach nicht möglich, wenn die Feuchtigkeit durch mehrere Schichten diffundiert ist. Daher ist es wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit während des anfänglichen Montageprozesses in die Platine eindringt.

Warum passiert das?

Eine der häufigsten Arten, wie Leiterplatten Feuchtigkeit ausgesetzt werden, ist der Kontakt mit Kälte Winterluft. Bei kalten Temperaturen gibt es nicht genug Wärme in der atmosphärischen Luft, um Feuchtigkeit aufzunehmen. Dadurch wird der befeuchtete Inhalt der Luft an kalte Oberflächen abgegeben. Wenn eine Oberfläche kälter wird als die Luft selbst, kann diese Oberfläche als Magnet für freigesetzte Feuchtigkeit oder Kondensat dienen. Dieser Prozess ist der Grund, warum Fenster im Winter oft beschlagen.

Kalte Gegenstände, die in der Nähe von Kondensationsbereichen aufgestellt werden, ziehen ebenfalls leicht Feuchtigkeit aus der Luft an. Zum Beispiel wird eine Vase, die auf der Schwelle eines beschlagenen Fensters steht, leicht durch Feuchtigkeitstropfen feucht. Jede Oberfläche, die kälter als die Innenluft werden und stehendes Wasser halten könnte, kann als Magnet dienen, einschließlich der Oberflächen von Computerkomponenten.

Die Innen- und Außenflächen eines inaktiven Computers oder Peripheriegeräts können in den Wintermonaten leicht kalt werden. Wenn die Oberflächen kälter werden als die Luft selbst, ziehen sie Feuchtigkeit an. Bei Innenbauteilen kann sich das Problem verschärfen, wenn keine Entlüftungslöcher vorhanden sind, durch die die Feuchtigkeit entweichen kann. Leiterplatten können beispielsweise horizontal in einer Computerbox, einem Scanner, einem Videoplayer oder einer Stereoanlage angeordnet werden. Während der Tagesstunden, wenn das Haus leer ist und trotz niedriger Außentemperaturen weder Heizung noch Strom ausfallen, können diese Geräte als Feuchtigkeitsmagnete dienen.

Wenn Feuchtigkeit auf die Oberflächen von PCBs und anderen internen Schaltkreisen diffundiert, können die Geräte schließlich nicht mehr eingeschaltet werden. Wenn ein Gerät über die Wintermonate ruht und im Frühjahr nicht aktiviert wird, ist manchmal interne Feuchtigkeit die Ursache. Da das Gerät selbst inaktiv war, kam es während des fraglichen Zeitraums zu keiner internen Wärmeentwicklung im Gerät.

Zu den weiteren Möglichkeiten, wie sich Feuchtigkeit auf PCBs ansammeln kann, gehören die folgenden:

• Unzureichende Verpackung: Leiterplatten können auch mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen, wenn sie verpackt oder in unsauberen Taschen und Schränken gelagert werden. Wird eine Platine in einer unsauberen Verpackung verschickt, die keinen Schutz vor Umwelteinflüssen bietet, kann unter Umständen Feuchtigkeit eindringen. In einigen Fällen diffundiert Feuchtigkeit in die Schichten der Leiterplatte, bevor sie in den Händen des Kunden ankommt.
• Montage: Eine der schwer fassbaren und frustrierendsten Möglichkeiten, wie Feuchtigkeit mit einer Leiterplatte in Kontakt kommen kann, ist, wenn während des Bestückungsprozesses Wasserpartikel aus der Umgebungsluft auf der Leiterplatte landen. Wenn Wasser vor dem Löten auf der Platine selbst landet und durch die Schichten diffundiert, kann die Platine selbst grundsätzlich mit einem Defekt hergestellt werden. Obwohl Schritte zum Entfernen von Feuchtigkeit vorhanden sind, können dieselben Schritte die Platte auch für weitere Exposition öffnen.
• Backen: Feuchtigkeit kann sogar während des am häufigsten verwendeten Prozesses zur Bekämpfung von PCB-Feuchtigkeit in einer Leiterplatte anschwellen:dem Backen. Während die Absicht hinter dem Backen darin besteht, Leiterplatten auf Temperaturniveaus zu erhitzen, die Feuchtigkeit herausdrücken, dehnen sich die eingebauten Feuchtigkeitsmoleküle oft vorübergehend aus, wenn die Temperatur innerhalb der Leiterplatte ansteigt. Während der größte Teil der Feuchtigkeit letztendlich aus der Leiterplatte ausgetrieben wird, kann die momentane Ausdehnung eine weitere irreversible Diffusion innerhalb der Leiterplatte verursachen.

IPC-Standards für Feuchtigkeit

Im Jahr 2010 wurden IPC-Standards für die Feuchtigkeitskontrolle von Leiterplatten eingeführt, um die Vernachlässigung dieses Themas im Gesamtumfang der Leiterplattenwartung zu beheben. Beschichtete Lötplatinen können länger lötbar bleiben, solange Maßnahmen ergriffen werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit in die Platinen zu verhindern. Alternativ können Bretter länger halten, wenn geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um Feuchtigkeit zu verteilen.

Gemäß den Richtlinien ist Backen ein praktikables Verfahren zum Entfernen von Feuchtigkeit aus Leiterplatten, bei denen zuvor bestehende Prozesskontrollen das Eindringen von Feuchtigkeit nicht verhindert haben. Die Richtlinien warnen jedoch auch davor, dass das Backen zu erhöhten Kosten, längerer Zykluszeit und verringerter Lötbarkeit führt. Der Backprozess besteht auch aus einer weiteren Handhabung, die Schäden verursachen und eine Leiterplatte verunreinigen kann. Daher sollte die Notwendigkeit des Backens so weit wie möglich durch vorbeugende Wartung während der Montage, Handhabung und Lagerung von Leiterplatten vermieden werden.

Das Dokument warnt insbesondere vor dem Einbrennen von Überzügen aus organischen Lötschutzmitteln (OSP), da die Auswirkungen des Einbrennens die Oberflächenbeschaffenheit vermindern. Beim bleifreien Löten sind OSP-Beschichtungen aufgrund der kostengünstigen und einfachen Schritte ihrer Anwendung üblich. Trotz dieser Vorteile können OSP-Schichten aufgrund der Einfachheit der Deckschicht, die das einzige ist, was die darunter liegende Kupferoberfläche schützt, leicht oxidieren. Bei einer OSP-Beschichtung dauert es nur wenige Minuten, bis eine Oberflächentrennung und Feuchtigkeitsdiffusion eintritt.

Leiterplatten werden häufig in Verpackungen versandt, die die Leiterplatten anfällig für Feuchtigkeitsaufnahme machen. In vielen Fällen werden Leiterplatten in Folienbeuteln oder ESD-Beutel versendet. Folglich kommen solche Bretter oft mit gefährlichen Mengen an Feuchtigkeitsdiffusion an. Wenn sie nach Erhalt in den Paketen gelagert werden, können die Boards leicht innerhalb weniger Monate ruiniert werden. Leiterplatten sollten stattdessen in Moisture Barrier Bags (MBBs) versendet und gelagert werden.

Wie man Feuchtigkeit in Leiterplatten verhindert

Während der Herstellung von Leiterplatten sollte der Laminierungsprozess in a durchgeführt werden temperaturgeregelte Umgebung, in der das Luftsystem mit Adsorptionsmitteln reguliert wird. Es ist auch wichtig, bei jedem Arbeitszyklus frische Handschuhe zu tragen, um die Ausbreitung von Verunreinigungen zwischen verschiedenen Komponenten zu vermeiden.

Der eigentliche Prozess der PCB-Laminierung hat eine dehydrierende Wirkung auf das fertige Produkt. In dieser Phase werden die Prepregs und Kerne eingesetzt und die Schichten zu einer einzigen Platte verbunden. Einige Hersteller wenden während dieser Phase einen Niederdruck-Vakuumeffekt an, um innere Hohlräume zu vermeiden, die möglicherweise Feuchtigkeit in den Schichten einschließen könnten.

Bei bestimmten Leiterplattenherstellern ist es üblich, die Prepregs vor dem Laminieren zu backen. Das Ziel dabei ist, Feuchtigkeitsnester und Blasenbildung auf der fertigen Platte zu vermeiden. Dieser Schritt ist am sinnvollsten, wenn das Prepreg zuvor eine gewisse Zeit in einer ungeregelten Lagerumgebung verbracht hat. Andernfalls ist dieser Schritt im Allgemeinen nicht erforderlich.

Eines der effektivsten Mittel zur Verhinderung von Feuchtigkeit in einer Leiterplatte sind vermaschte Kupferebenen, die den Feuchtigkeitstransport zwischen den Schichten sowie in und aus den Leiterplatten verhindern. Vermaschte Kupferebenen dienen auch als stärkeres Verbindungsmaterial zwischen Schichten. Ihr Vorhandensein in einer Leiterplatte kann jedoch die elektrische Kapazität der Leiterplatte verringern.

Wie man Feuchtigkeit von Leiterplatten entfernt

Die Hauptmethode zum Entfernen von Feuchtigkeit aus einer Leiterplatte ist das Backen, bei dem hohe Hitze angewendet wird, um eingebettete Feuchtigkeitsspuren herauszudrücken. Backen ist eine beliebte Methode, da hohe Temperaturen in den meisten Umgebungen ein wirksames Mittel zur Entfernung von Feuchtigkeit sind. Da sich Wärme durch die dieser Behandlung unterzogenen Schichten hindurcharbeitet, ist die Wirkung in der Regel gründlich und dauerhaft. Das Backen wird häufig während der Montagephase eingesetzt, bevor die Leiterplatten an Geschäfte und Elektronikfabriken geliefert werden.

Trotz der oft positiven Auswirkungen des Backens kann das Verfahren auch seine Nachteile haben. Wenn eine Leiterplatte große Kupferflächen enthält, können Feuchtigkeitskonzentrationen während des Backing-Prozesses zunächst anschwellen und als Folge eine Delaminierung verursachen. Während dieser Sekunden des Quellens kann es zu einer Feuchtigkeitsdiffusion kommen. Sobald dies geschieht, wird der Prozess der Feuchtigkeitsentfernung viel schwieriger, wenn nicht sogar unmöglich.

PCBs können entfeuchtet werden, wenn sie in Trockenschränke gelegt werden, die die Platinen auf idealen Temperaturen mit weniger als 0,05 g/m3 Luftdampf halten. Diese Umgebung sorgt für einen Vakuumeffekt auf Leiterplatten, der verhindert, dass sich Feuchtigkeit festsetzt oder diffundiert. Trockengehäuse verhindern auch Oxidation und intermetallische Entwicklungen. Leiterplatten können unbegrenzt in Trockenschränken mit geringem Fäulnisrisiko gelagert werden.

Es ist wichtig, dass Leiterplatten richtig in trockenen Fächern gelagert werden. Wenn sie versendet und in Reserve gehalten werden, sollten Leiterplatten in MBBs verpackt werden. Trockenlagereinheiten mit entfeuchteter Luft können Feuchtigkeitsbelastungen während der Wochen oder Monate, in denen eine Leiterplatte auf die Verwendung in einem Computer oder elektronischen Gerät wartet, verhindern.

Eine in einem aktiven Gerät enthaltene Leiterplatte könnte möglicherweise mit Feuchtigkeit in Kontakt kommen, wenn das Gerät selbst einer feuchten Umgebung ausgesetzt war. In einem Raum mit beschlagenen Scheiben aufgestellt, kann ein deaktiviertes Gerät leicht feuchte Oberflächen innen und außen aufweisen, auch wenn das Problem mit bloßem Auge nicht erkennbar ist. Sie können dieses Problem vermeiden, indem Sie die elektronischen Einheiten in den kalten Monaten aktiv halten und eine angemessen warme Innentemperatur aufrechterhalten. Ein aktiver Computer erzeugt beispielsweise ausreichend interne Wärme, um Feuchtigkeit von PCBs und anderen Komponenten zu entfernen.

Eine andere Möglichkeit, Feuchtigkeit in elektronischen Komponenten zu bekämpfen, besteht darin, solche Geräte in einer vertikalen Position zu platzieren. Eine horizontale Computerbox hat eine liegende Leiterplatte, die möglicherweise stehende Feuchtigkeit aufnehmen könnte. In einem Computerturm befindet sich die Leiterplatte in einer vertikalen Position. Wenn das Ziel darin besteht, Feuchtigkeit mit allen erforderlichen Mitteln zu entfernen, ist vertikal der horizontalen vorzuziehen.

Leiterplatten von Millennium Circuits Limited

Die Feuchtigkeitsaufnahme von Leiterplatten ist ein wichtiges Problem, das Sie erkennen sollten, wenn Sie Leiterplatten verwenden Produkte jeglicher Art. Um eine lange Lebensdauer der Platine zu gewährleisten, müssen Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung von Leiterplatten in allen Phasen der Montage, Handhabung, des Versands, der Lagerung, der Installation, der Wartung und des Umzugs getroffen werden.

Bei MCL sind unsere Techniker professionell in der sicheren Handhabung von Leiterplatten geschult, und wir stellen sicher, dass jede von unserem Standort versandte Leiterplatte in einer feuchtigkeitssicheren Verpackung verschickt wird. Um mehr über unsere Leiterplatten zu erfahren, wenden Sie sich noch heute an MCL, um ein Angebot zu erhalten.

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