Livelli di Sensibilità all'Umidità nei Componenti Elettrici

Una gamma di materiali utilizzati per costruire componenti elettrici può assorbire umidità dall'aria nel tempo. Questo è diventato inizialmente un problema con l'introduzione della saldatura a riflusso, dove i componenti sono sottoposti a temperature elevate improvvisamente per un breve periodo. Questo problema è stato poi esacerbato con il passaggio alla saldatura senza piombo, che ha comportato temperature di picco più elevate durante il processo di riflusso. Altri fattori che hanno aumentato la prevalenza della sensibilità all'umidità sono materiali più economici e più sottili come le plastiche, che hanno proprietà inferiori rispetto ai materiali ermetici più costosi che venivano tradizionalmente utilizzati.

L'umidità può vaporizzarsi e causare danni ai componenti. Questo può manifestarsi sotto forma di micro-crepe che indeboliscono il contenitore del componente, crepe complete che portano alla separazione di parti del componente, o sfaldamento superficiale tra un die pad e la sua copertura in resina. Qualunque sia il tipo di danno, il risultato è che il componente dovrà essere sostituito.

Una delle sfide è che il danno causato dalla vaporizzazione dell'umidità potrebbe non essere immediatamente evidente e manifestarsi solo una volta che il dispositivo è stato assemblato e testato. Potrebbe essere abbastanza lieve da far sembrare che il dispositivo funzioni correttamente solo per fallire prematuramente quando successivamente entra in servizio. Di solito, la crepatura si verifica dove il pacchetto è più sottile, che per i componenti montati in superficie è tipicamente sul lato inferiore vicino al PCB e, quindi, fuori dalla vista. Allo stesso modo, la micro-crepatura, a meno che non sia sulla superficie su una parte visibile del componente, non sarà anche visivamente evidente.

Il problema principale è il danno causato dalla vaporizzazione dell'umidità nei microcontrollori e in altri dispositivi complessi. I delicati fili metallici dal die e i pad di montaggio superficiale sono solitamente incapsulati in plastica. Qualsiasi crepa in questo imballaggio potrebbe fratturare un filo, che sarebbe rilevato solo una volta che il MCU funziona, a meno che non si tratti di un pin di alimentazione.

Quanto è Comune Questo Problema?

La probabilità che questo problema si verifichi dipende dai tipi di materiali di imballaggio utilizzati e dalla durata dell'esposizione del componente all'umidità. Questo è principalmente dovuto a quanto tempo il componente rimane in magazzino, come è protetto e in quali condizioni ambientali è conservato per la fase di stoccaggio. Una volta che il componente lascia il magazzino e viene rimosso dal suo imballaggio protettivo, ciò dipende dalla sua durata di vita a magazzino. Questo è il periodo di tempo in cui è esposto alle condizioni ambientali circostanti e quali sono queste condizioni.

La velocità con cui l'umidità può diffondersi nel componente dipenderà dalla sua umidità e temperatura. Più alta è la temperatura, più velocemente qualsiasi umidità presente nell'ambiente penetrerà nel materiale di imballaggio. Questo assorbimento continua fino a quando la concentrazione di umidità nel materiale corrisponde alla concentrazione di umidità nell'ambiente. Più alta è l'umidità relativa, maggiore è la quantità di umidità che verrà assorbita.

Il tempo di esposizione durante la fabbricazione del componente e il periodo dopo che è assemblato su un PCB pronto per la saldatura a riflusso possono essere considerati trascurabili rispetto al tempo di stoccaggio e al tempo da quando lascia il magazzino fino a quando è montato sul PCB. I fattori ambientali chiave sono l'umidità, la temperatura e questa lunghezza di tempo.

L'uso di materiali di imballaggio sensibili all'umidità include componenti incapsulati come circuiti integrati e sensori e si estende a connettori e alla PCB. Solo controllando il datasheet di ogni elemento nel tuo dispositivo saprai con certezza quali parti sono sensibili all'umidità.

Vita di Stoccaggio

Qualsiasi componente che è sensibile all'umidità dovrebbe essere spedito in un imballaggio protettivo sigillato, tipicamente con gel disidratante e un ambiente inerte. L'imballaggio indicherà la durata massima di tempo in cui il componente può essere conservato, tipicamente alcuni anni. Le parti che sono particolarmente sensibili all'umidità vengono solitamente spedite con indicatori di umidità inclusi nell'imballaggio per fornire un'indicazione visiva dello stato del componente. Finché l'imballaggio protettivo non è compromesso e le condizioni ambientali del magazzino di stoccaggio sono entro le specifiche, questo non dovrebbe essere diverso dal gestire qualsiasi altro tipo di componente.

Livello di Sensibilità all'Umidità

I livelli standardizzati di Sensibilità all'Umidità (MSL) sono stati definiti per identificare quali componenti sono sensibili all'umidità. Questi livelli determinano quanto tempo un componente può essere esposto alla temperatura ambiente e al livello di umidità prima che venga negativamente influenzato dall'umidità. Qui, per ambiente si intende al di sotto dei 30^oC e al di sotto del 60% di umidità relativa, eccetto per l'MSL 1 illimitato, che è definito come al di sotto dei 30^oC e al di sotto dell'85% di umidità relativa.

Cosa significa Essiccare un Componente?

Applicare un calore lento e delicato a un componente sensibile all'umidità può estrarre l'umidità senza causare danni. Questi componenti saranno sottoposti a cottura come parte del processo di produzione prima di essere collocati nel loro imballaggio protettivo. Per i componenti che richiedono la cottura prima dell'uso, una ripetizione di questo processo di cottura estrarrà delicatamente qualsiasi ulteriore umidità per "resettare" il contenuto di umidità del componente prima della saldatura. La temperatura di cottura e la durata del tempo per cui il componente deve essere cotto dipenderanno dal materiale utilizzato nella fabbricazione del componente, dal suo spessore e dal suo contenuto di umidità. Non è raro che il processo di cottura richieda diversi giorni.

Un fattore cruciale da tenere a mente se è necessario cuocere un componente è che il processo di cottura, se non eseguito correttamente, può causare l'ossidazione dei pad di saldatura, che porterà a una scarsa connettività dopo la saldatura.

Il Mio PCB Sarà Affetto?

A seconda del tipo di PCB che stai utilizzando, potrebbe anche essere sensibile all'assorbimento di umidità e subire tipi simili di danni durante il processo di rifusione. La sensibilità dipenderà dai materiali utilizzati per costruire il laminato di base, lo spessore dei materiali, il numero di strati e il design del tracciato finito. Tipicamente, l'FR4 è considerato tollerante all'umidità, mentre il Kapton è sensibile all'umidità. Fattori come l'area del rame, lo spessore del tracciato, i rapporti di aspetto dei fori passanti placcati e l'uso di trattamenti superficiali possono tutti influenzare.

Gestione della Sensibilità all'Umidità

Il consiglio generale è di fare attenzione nel maneggiare i tuoi componenti e il tuo PCB, mantenerli in un ambiente a bassa umidità per quanto più possibile della loro vita utile. Segui i consigli nel datasheet e sulla confezione, e non dovresti sbagliare di molto. Se la vita utile è un problema, considera di investire in una soluzione di stoccaggio temporaneo che mantenga tutto il più asciutto possibile. Gli armadietti asciuganti deumidificanti sono una soluzione ottima e flessibile che non costerà una fortuna. Regolano l'umidità relativa interna, utilizzando l'estrazione attiva dell'umidità o un semplice disidratante riutilizzabile. Se il denaro non è un problema, allora una soluzione di stoccaggio che sostituisce l'aria interna con azoto inerte offre una soluzione alternativa.

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