Przyczyny powstawania efektu popcorningu

Skąd się bierze problem popcorningu?

Rysunek 2: Przykłady efektu popcorningu. Rysunek 3:Przykład delaminacji PCB w efekcie popcorningu.

Materiały, z których wykonane są obudowy komponentów – zwykle są to różnego rodzaju epoksydy - mają tendencje do gromadzenia wilgoci, wykazują wyraźne właściwości higroskopijne. Jeżeli zostanie przekroczony określony, krytyczny poziom nagromadzenia wilgoci wewnątrz obudowy komponentu, w efekcie gwałtownego uwalniania rozgrzanych gazów, może on ulec uszkodzeniu podczas procesu lutowania. Wraz z upowszechnianiem się procesów lutowania bezołowiowego, rośnie też ryzyko wystąpienia efektu popcorningu. W czasie procesu lead free temperatura może osiągać nawet do 260ºC, nie bez znaczenia jest również, iż wartość maksymalna bywa osiągana stosunkowo szybko. Wysoka temperatura wraz z ‚gwałtownym‘ przebiegiem procesu może uniemożliwić łagodne odparowanie nagromadzonych oparów gazów i swojego rodzaju ‚wybuch‘: w procesie bezołowiowym ciśnienie wewnątrz obudowy komponentu może być nawet 3 razy wyższe, niż miało to miejsce w przypadku procesów ołowiowych. Skutki popcorningu Wysoka temperatura prowadzi do gromadzenia się oparów wewnątrz, wzrostu ciśnienia oraz rozwarstwiania się poszczególnych elementów obudowy komponentu. Dalej, po osiągnięciu krytycznego punktu, wyznaczanego przez elastyczność mechaniczną elementów obudowy, opary uwalniają sie gwałtownie w swoistej eksplozji, niszczącej komponent. Poprzez powstałe w obudowie pęknięcia, pozostała część nagromadzonej wilgoci może przedostać się na zewnątrz i dodatkowo uszkodzić komponent. Sprzyja to de laminacji substratu czy niepożądanej oksydacji padów. Innym zagrożeniem jest przesunięcie się komponentu w efekcie wybuchu. Wizualne efekty popcorningu są niejednokrotnie bardzo trudne do wychwycenia. W efekcie, popcorning może prowadzić do długotrwałego powtarzania się błędu i wysokich strat produkcyjnych. Przykładem są komponentu BGA, których rozwarstwienie następuje często ku spodniej części komponentu. Rysunek 1: Komponenty BGA mają tendencje do powstawania uszkodzeń po ich spodniej stronie. Standardy MSD Problemy związane z postępowaniem z komponentami MSD opisane są w następujących normach: • IPC/JEDEC J- STD 033C rev. 01/2012 • IPC/JEDEC STANDARD FOR HANDLING, PACKING, SHIPPING, AND USE OF MOISTURE/REFLOW SENSITIVE SURFACE-MOUNT DEVICES • IPC-1601 rev. 08/2010 Rysunek 4: Klasyfikacja komponentów MSD. Rysunek 5. Przykład naklejki opakowania zbiorczego komponentów z informacjami MSD. Alternatywne metody przeciwdziałania popcorningowi W przeszłości bardzo popularną metodą pozbywania się wilgoci było wygrzewanie (baking) komponentu przed procesem montażu. Typową temperaturą wygrzewania było 125°C, a proces ten potrafił trwać nawet do tygodnia. Ze względu na wysokie zużycie energii i czasu, sposób był wysoce nieefektywny, również pod względem finansowym. Obecnie wciąż stosuje się wygrzewanie, jednak jedynie komponentów opisanych w normie IPC/JEDEC J- STD 033C (≤5% RH, max.95°C). Wady wygrzewania komponentów: • Urządzenia do wygrzewania są kosztowne i mają ograniczone moce przerobowe • Wygrzewanie może prowadzić do pogorszenia sie właściwości lutowalności komponentu a także do niepożądanej oksydacji powierzchni • Wysoka temperatura jest czynnikiem ułatwiającym wzrost warstw intermetalicznych • Wybrane komponenty nie mogą być poddawane działaniu temperatury przekraczającej 60°C, a inne – przykładowo baterie czy wyświetlacze – w ogóle nie mogą być wygrzewane Innym powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest przechowywanie komponentów w atmosferze azotu. Należy jednak zauważyć, iż ponownie jest to proces drogi ze względu na konieczność użycia idealnie czystego gazu, a także wysokie ceny urządzeń do przechowywania oraz instalacji gazowej. Stosuje się również pakowanie próżniowe w torebki MBB (Moisture Barrier Bag). Należy podkreślić niskie inwestycje początkowe, jakich poniesienie jest konieczne przy wyborze tego rozwiązania. Do wad należy jednak zaliczyć dużą czasochłonność tego rozwiązania oraz stosunkowo wysokie koszty eksploatacyjne. Ze względu na wady opisanych wyżej sposobów radzenia sobie z zagrożeniem ze strony MSD, obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą jest przechowywanie komponentów w szafach klimatycznych, w warunkach minimalnej lub zerowej wilgotności. Umożliwia to łagodne pozbycie się wilgoci z komponentu oraz zapobiega powstawaniu defektu popcorningu. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy C.H.Erbsloeh, organizatora seminarium 'Lutowanie i zabezpieczanie modułów elektronicznych'. Po więcej informacji na temat seminarium kliknij tutaj. Opracowanie na podstawie materiałów udostępnionych przez © MP Dry Cabinets.