Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen in elektrischen Komponenten

Ein Spektrum an Materialien, die zur Konstruktion elektrischer Komponenten verwendet werden, kann über die Zeit Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Dies wurde zunächst mit der Einführung des Reflow-Lötens zu einem Problem, bei dem die Komponenten plötzlichen hohen Temperaturen über einen kurzen Zeitraum ausgesetzt sind. Dies wurde dann mit dem Wechsel zu bleifreiem Lötzinn verschärft, was zu höheren Spitzentemperaturen während des Reflow-Prozesses führte. Andere Faktoren, die die Prävalenz der Feuchtigkeitsempfindlichkeit erhöht haben, sind billigere und dünnere Materialien wie Kunststoffe, die minderwertigere Eigenschaften als die teureren hermetischen Materialien aufweisen, die traditionell verwendet wurden.

Die Feuchtigkeit kann verdampfen und Schäden an den Komponenten verursachen. Dies kann in Form von Mikrorissen sein, die das Komponentengehäuse schwächen, vollständigen Rissen, die zur Trennung von Teilen der Komponente führen, oder Oberflächenablösungen zwischen einem Die-Pad und seiner Harzabdeckung. Unabhängig von der Art des Schadens ist das Ergebnis, dass die Komponente ersetzt werden muss.

Eine der Herausforderungen besteht darin, dass der durch Feuchtigkeitsverdampfung verursachte Schaden möglicherweise nicht sofort erkennbar ist und erst sichtbar wird, nachdem das Gerät montiert und getestet wurde. Es kann potenziell geringfügig genug sein, dass das Gerät scheinbar korrekt funktioniert, nur um vorzeitig auszufallen, wenn es anschließend in Betrieb genommen wird. Normalerweise tritt ein Riss dort auf, wo das Gehäuse am dünnsten ist, was bei Oberflächenmontagekomponenten typischerweise auf der Unterseite nahe der PCB ist und daher außer Sicht. Ähnlich wird Mikrorissbildung, es sei denn, sie befindet sich an der Oberfläche auf einem sichtbaren Teil der Komponente, auch nicht visuell erkennbar sein.

Das Hauptproblem ist der Schaden, der durch Feuchtigkeitsverdampfung in Mikrocontrollern und anderen komplexen Geräten verursacht wird. Die empfindlichen Metallleitungen vom Die und die Oberflächenmontagepads sind normalerweise in Kunststoff eingekapselt. Jede Rissbildung dieser Verpackung könnte einen Draht brechen, was nur erkannt würde, wenn der MCU betrieben wird, es sei denn, es handelt sich um einen Stromversorgungspin.

Wie häufig ist dieses Problem?

Die Wahrscheinlichkeit dieses Problems hängt von den verwendeten Verpackungsmaterialien und der Dauer ab, wie lange die Komponente Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Dies liegt in erster Linie daran, wie lange die Komponente gelagert wird, wie sie geschützt ist und unter welchen Umgebungsbedingungen sie während der Lagerungsphase aufbewahrt wird. Sobald die Komponente das Lager verlässt und aus ihrer Schutzverpackung entfernt wird, hängt dies von ihrer Standzeit ab. Dies ist die Dauer, während der sie Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist und welche Bedingungen dies sind.

Die Rate, mit der Feuchtigkeit in die Komponente diffundieren kann, hängt von ihrer Luftfeuchtigkeit und Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto schneller wird jede in der Umgebung vorhandene Feuchtigkeit das Verpackungsmaterial durchdringen. Diese Absorption setzt sich fort, bis die Feuchtigkeitskonzentration im Material der Feuchtigkeitskonzentration in der Umgebung entspricht. Je höher die relative Luftfeuchtigkeit, desto größer ist die Menge an Feuchtigkeit, die aufgenommen wird.

Die Expositionszeit während der Herstellung der Komponente und der Zeitraum, nachdem sie auf eine PCB montiert wurde und bereit für das Reflow-Löten ist, kann im Vergleich zur Lagerzeit und der Zeit, wenn sie das Lager verlässt bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie auf die PCB montiert wird, als vernachlässigbar angesehen werden. Die Schlüsselfaktoren sind Luftfeuchtigkeit, Temperatur und diese Zeitspanne.

Die Verwendung feuchtigkeitsempfindlicher Verpackungsmaterialien umfasst eingekapselte Komponenten wie integrierte Schaltkreise und Sensoren und erstreckt sich auf Steckverbinder und die PCB. Nur durch das Überprüfen des Datenblatts für jedes Bauteil in Ihrem Gerät können Sie sicher sein, welche Teile feuchtigkeitsempfindlich sind.

Lagerdauer

Alle Komponenten, die feuchtigkeitsempfindlich sind, sollten in versiegelten Schutzverpackungen versendet werden, typischerweise mit Trockenmittelgel und einer inerten Umgebung. Die Verpackung gibt die maximale Lagerdauer des Bauteils an, üblicherweise einige Jahre. Teile, die besonders feuchtigkeitsempfindlich sind, werden in der Regel mit Feuchtigkeitsindikatoren in der Verpackung geliefert, um eine visuelle Anzeige des Zustands des Bauteils zu bieten. Solange die Schutzverpackung nicht beschädigt ist und die Umgebungsbedingungen des Lagerorts innerhalb der Spezifikation liegen, sollte dies nicht anders sein als der Umgang mit jedem anderen Komponententyp.

Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe

Standardisierte Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen (MSL) wurden definiert, um zu identifizieren, welche Bauteile feuchtigkeitsempfindlich sind. Diese Stufen bestimmen, wie lange ein Bauteil der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sein kann, bevor es durch Feuchtigkeit negativ beeinflusst wird. Hier wird "Umgebung" als unter 30^oC und unter 60 % relative Luftfeuchtigkeit definiert, außer für die unbegrenzte MSL 1, die als unter 30^oC und unter 85 % relative Luftfeuchtigkeit definiert ist.

Was ist Bauteiltrocknung?

Das langsame und sanfte Erhitzen einer feuchtigkeitsempfindlichen Komponente kann die Feuchtigkeit herausziehen, ohne Schäden zu verursachen. Diese Komponenten werden als Teil des Herstellungsprozesses gebacken, bevor sie in ihre schützende Lagerverpackung gelegt werden. Für Komponenten, die vor der Verwendung gebacken werden müssen, wird ein Wiederholen dieses Backvorgangs zusätzliche Feuchtigkeit sanft entfernen, um den Feuchtigkeitsgehalt der Komponente vor dem Löten „zurückzusetzen“. Die Backtemperatur und die Dauer, für die die Komponente gebacken werden muss, hängen von dem Material ab, aus dem die Komponente hergestellt wurde, ihrer Dicke und ihrem Feuchtigkeitsgehalt. Es ist nicht ungewöhnlich, dass der Backprozess mehrere Tage dauert.

Ein entscheidender Faktor, den Sie beachten sollten, wenn Sie eine Komponente backen müssen, ist, dass der Backprozess, wenn er nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird, zur Oxidation der Lötpads führen kann, was nach dem Löten zu schlechter Konnektivität führen wird.

Wird mein PCB betroffen sein?

Je nach Art der von Ihnen verwendeten Leiterplatte kann diese auch empfindlich gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme sein und während des Reflow-Prozesses ähnliche Schäden erleiden. Die Empfindlichkeit hängt von den Materialien ab, die zur Herstellung des Basismaterials verwendet werden, der Dicke der Materialien, der Anzahl der Schichten und dem fertigen Leiterbahndesign. Typischerweise gilt FR4 als feuchtigkeitstolerant, während Kapton feuchtigkeitsempfindlich ist. Faktoren wie die Kupferfläche, die Dicke der Leiterbahnen, die Aspektverhältnisse von durchkontaktierten Löchern und die Verwendung von Oberflächenbehandlungen können alle einen Einfluss haben.

Feuchtigkeitsempfindlichkeit managen

Der allgemeine Rat ist, vorsichtig mit Ihren Komponenten und Ihrer Leiterplatte umzugehen, sie so lange wie praktisch möglich in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit zu halten. Befolgen Sie die Ratschläge im Datenblatt und auf der Verpackung, und Sie sollten nicht allzu falsch liegen. Wenn die Lagerdauer ein Problem darstellt, sollten Sie in eine temporäre Lagerlösung investieren, die alles so trocken wie möglich hält. Entfeuchtende Trockenschränke sind eine großartige und flexible Lösung, die nicht allzu teuer ist. Sie regulieren die relative Luftfeuchtigkeit im Inneren, entweder durch aktive Feuchtigkeitsentnahme oder durch Verwendung eines einfachen wiederverwendbaren Trockenmittels. Wenn Geld keine Rolle spielt, dann bietet eine Lagerlösung, die die Innenluft durch inertes Stickstoff ersetzt, eine alternative Lösung.

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