Niveles de Sensibilidad a la Humedad en Componentes Eléctricos

Una variedad de materiales utilizados para construir componentes eléctricos pueden absorber humedad del aire con el tiempo. Esto inicialmente se convirtió en un problema con la introducción del soldado por reflujo, donde los componentes están sujetos a temperaturas altas repentinas durante un corto período. Esto se exacerbó con el cambio a soldadura sin plomo, lo que resultó en temperaturas pico más altas durante el proceso de reflujo. Otros factores que han aumentado la prevalencia de la sensibilidad a la humedad son materiales más baratos y delgados como los plásticos, que tienen propiedades inferiores en comparación con los materiales herméticos más caros que se utilizaban tradicionalmente.

La humedad puede vaporizarse y causar daños a los componentes. Esto puede ser en forma de microfisuras que debilitan el paquete del componente, fisuras completas que llevan a la separación de partes del componente, o descamación superficial entre una almohadilla de die y su cubierta de resina. Cualquiera que sea el tipo de daño, el resultado es que el componente necesitará ser reemplazado.

Uno de los desafíos es que el daño causado por la vaporización de la humedad puede no ser inmediatamente aparente y solo aparecer una vez que el dispositivo ha sido ensamblado y probado. Puede ser potencialmente lo suficientemente menor como para que el dispositivo parezca funcionar correctamente solo para fallar prematuramente cuando esté en servicio posteriormente. Por lo general, la fisuración ocurre donde el paquete es más delgado, que para los componentes de montaje superficial es típicamente en la parte inferior cerca del PCB y, por lo tanto, fuera de la vista. De manera similar, la microfisuración, a menos que esté en la superficie en una parte visible del componente, tampoco será aparente visualmente.

El problema principal es el daño causado por la vaporización de la humedad en microcontroladores y otros dispositivos complejos. Los delicados cables metálicos desde el die y los pads de montaje superficial suelen estar encapsulados en plástico. Cualquier fisura de este empaque podría fracturar un cable, lo cual solo se detectaría una vez que el MCU opere a menos que sea un pin de suministro de energía.

¿Qué tan común es este problema?

La probabilidad de que este problema ocurra depende de los tipos de materiales de embalaje utilizados y del tiempo que el componente está expuesto a la humedad. Esto se debe principalmente a cuánto tiempo está el componente en almacenamiento, cómo está protegido y en qué condiciones ambientales se almacena durante la fase de almacenamiento. Una vez que el componente sale del almacenamiento y se retira de su embalaje protector, esto depende de su vida útil en planta. Esto es el tiempo que está expuesto a condiciones ambientales ambientales y cuáles son esas condiciones.

La tasa a la que la humedad puede difundirse en el componente dependerá de su humedad y temperatura. Cuanto más alta sea la temperatura, más rápido cualquier humedad presente en el ambiente penetrará el material de embalaje. Esta absorción continúa hasta que la concentración de humedad en el material coincida con la concentración de humedad en el ambiente. Cuanto mayor sea la humedad relativa, mayor será la cantidad de humedad que se absorberá.

El tiempo de exposición durante la fabricación del componente y el período después de que se ensambla en un PCB listo para el soldado por reflujo puede considerarse insignificante en comparación con el tiempo de almacenamiento y el tiempo desde que sale del almacenamiento hasta que se coloca en el PCB. Los factores ambientales clave son la humedad, la temperatura y la longitud de este tiempo.

El uso de materiales de embalaje sensibles a la humedad incluye componentes encapsulados como circuitos integrados y sensores, y se extiende a conectores y la PCB. Solo revisando la hoja de datos de cada elemento en su dispositivo sabrá con certeza cuáles partes son sensibles a la humedad.

Vida Útil

Cualquier componente que sea sensible a la humedad debe ser enviado en un embalaje protector sellado, típicamente con gel desecante y un ambiente inerte. El embalaje indicará la duración máxima de tiempo que el componente puede ser almacenado, típicamente unos pocos años. Las partes que son especialmente sensibles a la humedad suelen enviarse con indicadores de humedad incluidos en el embalaje para proporcionar una indicación visual de la salud de la parte. Mientras el embalaje protector no esté comprometido y las condiciones ambientales de la instalación de almacenamiento estén dentro de las especificaciones, esto no debería ser diferente de manejar cualquier otro tipo de componente.

Nivel de Sensibilidad a la Humedad

Se han definido Niveles de Sensibilidad a la Humedad (MSL) estandarizados para identificar qué componentes son sensibles a la humedad. Estos niveles determinan cuánto tiempo un componente puede estar expuesto a la temperatura ambiente y al nivel de humedad antes de que sea afectado negativamente por la humedad. Aquí, ambiente se define como por debajo de 30^oC y por debajo del 60% de humedad relativa, excepto para el MSL 1 ilimitado, que se define como por debajo de 30^oC y por debajo del 85% de humedad relativa.

¿Qué es el Horneado de Componentes?

Aplicar un calor lento y suave a un componente sensible a la humedad puede extraer la humedad sin causar daño. Estos componentes estarán sujetos a horneado como parte del proceso de fabricación antes de ser colocados en su embalaje de almacenamiento protector. Para los componentes que requieren horneado antes de su uso, una repetición de este proceso de horneado extraerá suavemente cualquier humedad adicional para "restablecer" el contenido de humedad del componente antes de soldar. La temperatura de horneado y la duración del tiempo que el componente necesita ser horneado dependerán del material utilizado en la fabricación del componente, su grosor y su contenido de humedad. No es raro que el proceso de horneado tome varios días.

Un factor crucial a tener en cuenta si necesitas hornear un componente es que el proceso de horneado, si no se realiza correctamente, puede causar oxidación de las almohadillas de soldadura, lo que llevará a una mala conectividad después de la soldadura.

¿Se verá afectado mi PCB?

Dependiendo del tipo de PCB que estés utilizando, también puede ser sensible a la absorción de humedad y sufrir tipos similares de daños durante el proceso de reflujo. La sensibilidad dependerá de los materiales utilizados para construir el laminado base, el grosor de los materiales, el número de capas y el diseño de trazado terminado. Típicamente, el FR4 se considera tolerante a la humedad, mientras que el Kapton es sensible a la humedad. Factores como el área de cobre, el grosor del trazado, las proporciones de aspecto de agujeros pasantes y el uso de tratamientos superficiales pueden afectar todos.

Manejo de la Sensibilidad a la Humedad

El consejo general es tener cuidado al manejar tus componentes y tu PCB, mantenerlos en un ambiente de baja humedad durante tanto tiempo de su vida útil como sea práctico. Sigue los consejos en la hoja de datos y en el empaque, y no deberías equivocarte demasiado. Si la vida útil es un problema, considera invertir en una solución de almacenamiento temporal que mantenga todo lo más seco posible. Los armarios secos deshumidificadores son una gran solución flexible que no romperá el banco. Regulan la humedad relativa interior, ya sea usando extracción activa de humedad o utilizando un desecante reutilizable simple. Si el dinero no es un problema, entonces una solución de almacenamiento que reemplace el aire interno con nitrógeno inerte ofrece una solución alternativa.

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