Feuchteempfindlichkeit bei PCBs verstehen: Prävention, Erkennung und Entfernung

Inhaltsverzeichnis: Wie Feuchtigkeit PCBs beeinflusst | Feuchtigkeit erkennen und entfernen | Warum passiert das? | IPC-Standards für Feuchtigkeit | Feuchtigkeit in PCBs verhindern | Feuchtigkeit aus PCBs entfernen | Leiterplatten von MCL

Während Delaminationsfolgen via Thermografie und Akustikmikroskopie erkennbar sind, zeigen sie sich nicht immer als offensichtliche Symptome wie Verfärbung und Blasenbildung. Insgesamt ist es dringend vorzuziehen, Feuchtigkeit gar nicht erst an die PCB gelangen zu lassen. Dies gelingt durch Prozesse wie Vorbacken und richtige Lagerung. Auch das PCB-Design beeinflusst, ob Feuchtigkeit eher ein Problem darstellt. Eines der gravierendsten Probleme bei Leiterplatten (PCBs) ist Feuchtigkeitspräsenz. Existiert Feuchtigkeit im PCB, kann die dadurch verursachte Destabilisierung einen delaminierenden Effekt auf Oberflächenelemente haben. Jedes Mal, wenn Löten oder Nacharbeit an der PCB erfolgt, könnte sich die Delamination durch den Feuchtigkeitsgehalt leicht ausweiten.

Wie Feuchtigkeit eine PCB beeinflussen kann

Feuchtigkeitspräsenz kann zu diversen Funktionsausfällen an einer PCB führen, abhängig davon, welche Komponenten oder Leiterbahnen durch Diffusion damit in Kontakt kommen. Feuchtigkeit kann in Epoxidglas, Harz, Glasgrenzflächen und Rissen nisten. Häufige Probleme: Verlangsamte Taktraten, erhöhte Verzögerungszeiten bei Gerätefunktionen. Überschreitet das Problem ein Limit, kann das Gerät schlicht nicht mehr aktivieren.

Tests zeigen Effekte von Feuchtigkeitsabsorption und -desorption in PCBs. Bei PCBs mit durchkontaktierten Bohrungen (PTH) variabler Dichte haben eingeschlossene Feuchtigkeitsmengen unterschiedliche Desorptionsraten basierend auf Bohrungsabstand. In stark gesättigten PCBs kann Desorption in Hochtemperaturumgebungen hunderte Stunden dauern.

Wird eine PCB in Umgebung platziert, wo atmosphärischer Feuchtedruck den Widerstand von Platine und Bauteilen übersteigt, kann Feuchtigkeit eindringen. Um Feuchtigkeitsdelamination zu verhindern, sollte Löten nur bei Hochtemperatur (<0,1 % Feuchtegehalt) oder Niedrigtemperatur (<0,2 % Feuchtegehalt) erfolgen. Hochtemperaturlöten ~260 °C, Niedrigtemperaturlöten ~230 °C.

Feuchtigkeit erkennen und entfernen

Bei Messung der Fähigkeit einer PCB, elektrische Energie zu speichern, lässt sich Feuchtigkeitsgehaltänderung detektieren. Kapazitätssensoren werden genutzt. Kapazitätswerte verhalten sich umgekehrt proportional zur Lochdichte. Hohe Lochdichte → niedrige Kapazität, da weniger Distanz zwischen Feuchtigkeit und Oberfläche, aber mehr Raum für Feuchtigkeitsentweichung.

Bei Non-PTH-PCBs sinkt Kapazität schneller → weniger Backzeit nötig für niedrigen Feuchtegehalt. Bei PTH-Boards weniger exponierte Oberfläche für Feuchtigkeitsentweichung.

Wegen inversem Effekt von Kupferflächen auf Desorption: Backen mit Designberücksichtigung. Längeres Backen entleert Feuchtigkeit effektiver, kann aber Lötbarkeit und Funktionskapazität reduzieren. Backzeit muss bemessen sein, um Nebenwirkungen zu vermeiden.

Feuchtigkeitsentfernung liefert nicht immer vorhersehbare Ergebnisse. Beispiel: Identische Kupferflächen können beim Backstart einen zentralen Feuchtigkeitsanstieg zeigen, der sich kurz darauf diffusiert. Trifft dieser kurzzeitige Feuchtigkeitsschub auf delaminationswahrscheinlichen Bereich, kann es unbeabsichtigter Nebeneffekt des Backens sein.

Bei manchen Boards ist Feuchtigkeitsentfernung unmöglich, sobald Feuchtigkeit durch mehrere Lagen diffundierte. Daher: Maßnahmen zur Verhinderung von Feuchtigkeitseintritt während der Erstmontage sind entscheidend.

Warum passiert das?

Häufigster Weg für PCB-Feuchtigkeitsexposition: Kontakt mit kalter Winterluft. Bei niedrigen Temperaturen fehlt atmosphärischer Luft die Wärme zur Feuchtigkeitsaufnahme. Feuchtigkeitsgehalt der Luft wird auf kalte Oberflächen abgegeben. Wird eine Oberfläche kälter als die Luft selbst, dient sie als Magnet für freigesetzte Feuchtigkeit (Kondensat). Deshalb beschlagen Fenster im Winter.

Kalte Gegenstände in Kondensationsnähe ziehen ebenfalls Feuchtigkeit an. Beispiel: Vase an beschlagener Fensterscheibe wird feucht mit Tau. Jede Oberfläche, die kälter als Innenluft werden und stehendes Wasser halten kann, wirkt als Magnet – auch Computerkomponentenoberflächen.

Interne/externe Oberflächen inaktiver Computer/Peripheriegeräte werden in Wintermonaten leicht kalt. Werden sie kälter als die Luft, ziehen sie Feuchtigkeit an. Bei internen Komponenten verschärft sich das Problem ohne Entlüftungslöcher für Feuchtigkeitsentweichung. PCBs liegen oft horizontal in Computergehäuse, Scanner, Videoplayer, Stereogeräte. Tagsüber bei leeren Häusern, ausgeschalteter Heizung/Strom trotz niedriger Außentemperaturen → Feuchtigkeitsmagnete.

Bei Diffusion auf PCB-Oberflächen und interner Schaltung können Geräte schließlich nicht mehr einschalten. Springt ein Gerät nach Wintermonaten nicht an, kann internalisierte Feuchtigkeit die Ursache sein. Da Gerät inaktiv, keine interne Wärmegenerierung im Zeitraum.

Weitere Feuchtigkeitsquellen bei PCBs:

• Unzureichende Verpackung: PCBs in unsicheren Beuteln/Schränken können Feuchtigkeit kontaktieren. Unschützende Verpackung bei Versand → Feuchtigkeitseindringen unter bestimmten Bedingungen. Feuchtigkeit kann in PCB-Lagen diffundieren, bevor es beim Kunden ankommt.
• Montage: Wasserpartikel aus Umgebungsluft landen während Montage auf der Platine. Vor dem Löten auf Board → Diffusion durch Lagen → Platine quasi mit Defekt gefertigt. Entfernungsmaßnahmen können Board weiterer Exposition öffnen.
• Backen: Feuchtigkeit kann selbst während Backens (häufigstes Anti-Feuchtigkeitsverfahren) im Board anschwellen. Ziel: PCB auf Temperaturen heizen, die Feuchtigkeit austreiben. Doch internalisierte Feuchtigkeitsmoleküle dehnen sich beim Temperaturanstieg kurzzeitig aus. Meiste Feuchtigkeit wird letztlich ausgetrieben, doch momentane Ausdehnung kann weitere irreversible Diffusion verursachen.

IPC-Standards für Feuchtigkeit

2010 etablierte IPC-Standards für PCB-Feuchtigkeitskontrolle, um Vernachlässigung dieses Themas im PCB-Wartungsumfang zu beheben. Beschichtete Lötplatinen behalten Lötbarkeit länger, solange Maßnahmen Feuchtigkeitseintritt verhindern. Alternativ längere Haltbarkeit bei richtigen Diffusionsschritten.

Laut Leitlinien ist Backen praktische Methode zur Feuchtigkeitsentfernung bei PCBs, wo Vorprozesskontrollen Feuchtigkeitseintritt nicht verhinderten. Warnung: Backen erhöht Kosten, verlängert Zykluszeit, verringert Lötbarkeit. Weitere Handhabung → Beschädigungs- und Kontaminationsrisiko. Backbedarf sollte durch präventive Wartung bei Montage, Handhabung, Lagerung minimiert werden.

Besondere Warnung vor Backen von OSP-Beschichtungen (Organic Solderability Preservative) – Backen mindert die Oberfläche. Bei bleifreiem Löten sind OSP-Beschichtungen üblich wegen kosteneffektiver, einfacher Anwendung. Trotz Vorteilen oxidieren OSP-Schichten leicht durch einfache Beschichtung als einziger Schutz des darunterliegenden Kupfers. Schon paar Minuten → Oberflächentrennung und Feuchtigkeitsdiffusion bei OSP.

PCBs werden oft in Verpackung versandt, die Feuchtigkeitsaufnahme begünstigt. Häufig Folien- oder ESD-Beutel → gefährliche Feuchtigkeitsdiffusion bei Ankunft. Bei Lagerung in Verpackung → Ruin in Monaten. PCBs sollten in Moisture Barrier Bags (MBBs) versandt und gelagert werden.

Feuchtigkeit in PCBs verhindern

Während PCB-Fertigung sollte Lamination in temperaturkontrollierter Umgebung mit desikantengetrockneter Luft erfolgen. Frische Handschuhe pro Arbeitszyklus vermeiden Kontaminationsverschleppung zwischen Komponenten.

Der Laminationprozess selbst hat entwässernde Wirkung auf das Endprodukt. Hier werden Prepregs und Cores platziert, Lagen zu einzelner Platine verbunden. Manche Hersteller wenden Niederdruck-Vakuum an, um interne Hohlräume zu vermeiden, die Feuchtigkeit in Lagen einschließen könnten.

Bei manchen PCB-Fabrikatoren üblich: Prepregs vor Lamination backen. Ziel: Feuchtigkeitstaschen und Blasen auf fertiger Platine verhindern. Nützlich, wenn Prepreg zuvor längere Zeit in unregulierter Lagerung war. Sonst meist unnötig.

Eines der effektivsten Feuchtigkeitsverhinderungsmittel: Netzförmige Kupferflächen (Meshed Copper Planes), die Feuchtigkeitswanderung zwischen Lagen und in/aus Boards hemmen. Dienen auch als stärkere Verbindungsmaterial zwischen Lagen. Nachteil: Können elektrische Kapazität der PCB reduzieren.

Feuchtigkeit aus PCBs entfernen

Hauptmethode: Backen – hohe Hitze treibt eingebettete Feuchtigkeitsspuren aus. Beliebt, da hohe Temperaturen in den meisten Settings effektiv Feuchtigkeit entfernen. Während Hitze durch behandelte Lagen wirkt, sind Effekte meist gründlich und dauerhaft. Backen oft in Montagephase vor Versand an Läden/Elektronikfabriken.

Trotz positiver Effekte: Nachteile möglich. Große Kupferflächen → Feuchtigkeitskonzentrationen schwellen beim Backen zunächst an → Delamination. In diesen Sekunden der Schwellung kann Feuchtigkeitsdiffusion auftreten. Einmal passiert, wird Feuchtigkeitsentfernung weit schwieriger, wenn nicht unmöglich.

PCBs können in Trockenschränken entfeuchtet werden – ideale Temperaturen mit <0,05 g/m³ Luftdampf. Vakuumeffekt stoppt Feuchtigkeitssetzung/-diffusion. Trockenschränke verhindern auch Oxidation und intermetallische Entwicklungen. PCBs darin zeitlich unbegrenzt lagerbar mit geringem Verfallsrisiko.

Wichtig: PCBs richtig in trockenen Fächern lagern. Versand/Rückstellung in MBBs. Trockenlager mit entfeuchteter Luft verhindern Feuchtigkeitsexposition während Wochen/Monate bis zum Einsatz.

Ein PCB in aktivem Gerät könnte Feuchtigkeit kontaktieren, wenn Gerät in feuchter Umgebung stand. In Raum mit beschlagenen Fenstern kann deaktiviertes Gerät feuchte Innen-/Außenoberflächen haben – unsichtbar für Auge. Vermeidung: Elektronische Geräte in kalten Monaten aktiv halten, angemessene Innentemperaturen wahren. Aktiver Computer generiert ausreichend interne Wärme zur Feuchtigkeitsbeseitigung an PCBs und Komponenten.

Weitere Feuchtigkeitsbekämpfung: Geräte vertikal positionieren. Horizontales Computergehäuse → liegende PCB → stehende Feuchtigkeit möglich. Computertower → PCB vertikal. Zur Feuchtigkeitsentfernung: Vertikal vorzuziehen vor Horizontal.

Leiterplatten von Millennium Circuits Limited

PCB-Feuchtigkeitsabsorption ist wichtiges Thema, wenn Sie PCBs für Produkte nutzen. Für lange Platinenlebensdauer sind PCB-Handhabungsvorsichtsmaßnahmen in allen Phasen – Montage, Handhabung, Versand, Lagerung, Installation, Wartung, Umzug – essenziell.

Bei MCL sind Techniker professionell in sicherer PCB-Handhabung geschult. Jede von unserem Standort versandte PCB geht in feuchtigkeitssicherer Verpackung. Erfahren Sie mehr über unsere PCBs – kontaktieren Sie MCL heute für ein Angebot.

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