Come è noto l'umidità è in grado di pregiudicare l'affidabilità dei componenti elettronici in case plastico. L'umidità infatti può permeare il corpo in plastica del componente. Durante la fase di saldatura, il repentino aumento di temperatura può causare micro-fratture o delaminazioni del materiale di substrato. Il guasto del componente è di solito non immediatamente rilevabile, ma si manifesta entro un breve periodo di tempo, dopo che il dispositivo è messo in servizio. Per evitare questo problema i dispositivi sensibili all'umidità (Moisture Sensitive Devices: MSD), devono essere gestiti secondo la norma J-STD-033B durante il processo di assemblaggio. La J-STD-033B è un complesso di norme che disciplinano tra l'altro il tempo di esposizione dei MSD all'umidità ambientale. La J-STD-033B definisce per ogni tipologia di dispositivi quanto tempo possono rimanere esposti all'umidità ambientale senza che ne venga compromessa l'utilizzabilità in un forno di saldatura. La stessa normativa stabilisce anche le condizioni di ripristino o “reset” di questo tempo denominato “Floor life”, indicando le condizioni per la sua riconquista tramite una essiccazione dopo breve esposizione (Short Duration) o tramite ricottura in forno dopo una più lunga esposizione (Long Duration) all'umidità ambientale. La gestione degli MSD in conformità alla J-STD-033B utilizzando i tradizionali metodi di monitoraggio manuale è imprecisa e soggetta ad errori per cui è molto difficile trarre vantaggio dalle caratteristiche di reset previste per le esposizioni di breve durata. Il software HumiTel di Accuassembly è progettato per aiutare l'utente ad automatizzare la gestione degli MSD in conformità con la J-STD-033B, con una minima formazione degli operatori.
Panoramica del sistema di gestione automatizzata HumiTel
Il centro del sistema automatizzato HumiTel è un database che si interfaccia a numerosi PC client distribuiti in punti strategici all'interno della fabbrica. Un'etichetta recante un barcode viene utilizzata per identificare in modo univoco ogni bobina e ogni cassetto di componenti all'interno della fabbrica. Ogni posizione client è composta da due o più stazioni e ciascuna ha una propria unità di rilevamento dell'umidità relativa e della temperatura. Ad esempio, un client HumiTel può essere collocato vicino ad un armadio a secco o DRYBOX con due stazioni 'DRYBOX_IN' e 'DRYBOX_OUT'. Secondo l'esempio, la stazione DRYBOX_IN ha una umidità relativa del 5% e temperatura di 23 ºC. La stazione DRYBOX_OUT ha umidità relativa del 45% e temperatura di 23 ºC. Quando una bobina di dispositivi sta per essere collocata all'interno dell'armadio a secco, l'operatore deve solo eseguire la scansione del codice a barre identificativo e selezionare DRYBOX_IN come stazione. La Floor Life di questa particolare bobina sarà calcolata in base alla temperatura e umidità relativa letta dalla stazione DRYBOX_IN (5% di umidità relativa, 23 °C). Quando la bobina viene rimossa dall'armadio, l'operatore esegue la scansione del codice a barre e seleziona DRYBOX_OUT. Da questo momento la floor life di questa particolare bobina sarà calcolata sulla base dell'umidità relativa e temperatura letta dalla stazione DRYBOX_OUT (45% di umidità relativa, 23 °C). Il funzionamento è molto semplice e di facile comprensione e per l'operatore non è necessario fare il calcolo del numero di ore in cui la bobina è stata esposta ad un certo valore di umidità e temperatura, in quanto questo dato è automaticamente fornito, così come il numero di ore di floor life rimanenti.
Profili di Floor Life
I dispositivi MSD sono suddivisi in cinque diversi livelli a seconda della loro minore o maggiore sensibilità, dall'1 al 5. Il dispositivo è più sensibile all'umidità quanto più il livello in cui è caratterizzato è elevato (MSL - Moisture Sensitive Level 1-5). Ad esempio, la normativa J-STD-033B stabilisce che un componente MSL 3 può essere esposto al 60% di umidità relativa a ≤ 30 °C per un massimo di 168 ore ritenedolo ancora sicuro per essere sottoposto alla temperatura di reflow senza problemi di qualità. Tuttavia, questo tempo di esposizione è ridotto a 48 ore per componenti MSL 5.
La floor life di un componente non è dettata solamente dal suo livello di riferimento, ma anche dalla configurazione del package e dal suo spessore.
Il profilo del componente è impostato sulla base di una combinazione tra il numero di parte aziendale ed il codice del fornitore all'interno del software HumiTel. Questa associazione è fatta una sola volta nel software HumiTel memorizzando il dato nel database centralizzato. Ulteriori profili possono essere aggiunti dall'utente per soddisfare eventuali requisiti specifici.
Quando una bobina di componenti arriva in fabbrica, l'operatore inserisce il numero di parte di quanto ricevuto. Il software HumiTel tramite riferimenti incrociati con il database associa il corretto profilo MSL ai dispositivi e genera un codice a barre che in modo univoco identifica la bobina. Questa associazione è quindi completa e tutte le transazioni in entrata e in uscita della stazione verranno gestite come descritto. Ulteriori informazioni come codice lotto, data e codice fornitore possono essere associati al codice a barre per la completa tracciabilità.
Precisione di calcolo sulla base delle effettive condizioni ambientali
Il calcolo della floor life dei dispositivi MSD mediante il software HumiTel è basato sulla reale lettura dell'umidità relativa e temperatura ambientali. Questo viene realizzato utilizzando uno speciale sensore di umidità che esegue le misurazioni ad intervalli regolari programmabili. Il sensore può essere collegato al PC client utilizzando un cavo USB o attraverso un collegamento senza fili. Il collegamento senza fili consente all'utente di inserire il sensore all'interno di un armadio a secco per ottenere l'effettivo tasso di umidità e temperatura presenti al suo interno. Il sensore HumiTel ha programmati in una memoria interna tutti i parametri della normativa J-STD-033B ed è quindi in grado di calcolare il piano di vita (floor life) dei dispositivi a lui associati declassandolo opportunamente in base alle effettive condizioni di umidità relativa e temperatura riscontrate nel tempo in associazione con il loro profilo specifico. Queste caratteristiche sono in grado di migliorare notevolmente l'affidabilità del floor life calcolato se lo confrontiamo con un sistema manuale. Il sistema manuale tipicamente non riesce a tener conto delle condizioni ambientali nella loro evoluzione temporale. Di fatto, la maggior parte delle routine di gestione manuale sono eccessivamente semplificate in modo da non risultare un onere eccessivo per gli operatori che utilizzano i dispositivi in condizioni di normale produzione.
Ripristino della floor life con esposizioni di breve durata
Quando i componenti sono esposti ad umidità ambiente per un breve periodo di tempo, la floor life può essere ripristinata e riportata alle condizioni originarie del dispositivo, come se il dispositivo non fosse mai stato esposto a qualsiasi umidità. Ad esempio, sulla base della J-STD-033B.1, un dispositivo MSL 4 può essere ripristinato al 100% di floor life se è stato esposto ad umidità ambiente per meno di 8 ore (J-STD-033B.1 ). Il software HumiTel è in grado di eseguire questo calcolo se l'esposizione del componente soddisfa la regola J-STD-033B.1. Queste regole sono scritte nel database in base a vari profili MSL. L'utente può cambiare le regole modificando i dati secondo le proprie necessità. Gli operatori non si devono preoccupare dei calcoli necessari per il ripristino della floor life perché il software HumiTel esegue per loro questo calcolo. Gli operatori devono solo eseguire la scansione del componente in entrata ed in uscita di una particolare stazione ed il calcolo viene eseguito automaticamente.
Un'altra caratteristica del software HumiTel è quella di comunicare all'operatore che il componente è ancora in processo di essiccazione per ripristinare la floor life originaria. Quando il componente viene rimosso dall'armadio a secco, un messaggio verrà visualizzato quando verrà letto il codice a barre identificativo del componente. L'operatore può quindi decidere se il componente deve essere rimosso da stoccaggio a secco o continuare con il processo di essiccazione fino al suo completamento. Se l'operatore decide di rimuovere i componenti dallo stoccaggio a secco in ogni caso, la floor life dei componenti è decrementa fino a raggiungere il livello calcolato poco prima che i componenti fossero messi all'interno dell'armadio a secco.
Il processo di essiccazione è preferibile rispetto alla ricottura in forno (Baking) perché quest'ultima espone il dispositivo ad un ulteriore ciclo ad altissima temperatura. L'alta temperatura accelera l'ossidazione dei pin del componente ed introduce altri effetti collaterali che potrebbero comprometterne la qualità.
Calcolo del floor life per brevi esposizioni per dispositivi MSL 4,5
Le caratteristiche dei dispositivi con MSL 4 e 5 fanno si che la loro floor life continua a diminuire, anche in condizioni di stoccaggio a secco (Umidità Relativa ≤ 5%) una volta che i componenti sono stati esposti ad umidità ambiente per più di 8 ore. Questa norma è scritta nel database HumiTel e la floor life viene automaticamente aggiornata sulla base delle norme per esposizioni di breve durata per componenti MSL 4 e 5.
Gestire il Baking utilizzando HumiTel
È possibile ripristinare la piena floor life dei dispositivi MSD riscaldandoli a 125 °C, 90 °C e 40 °C. Una eccessiva cottura può comunque causare l'ossidazione dei pin di contatto ed altri effetti indesiderati. La norma J-STD-033B.1 ha limitato il tempo cumulativo di cottura per un totale non superiore a 96 ore ad una temperatura superiore a 90 ºC fino a 125 ºC (J-STD-033B.1 sezione 4.2.7.1). Di conseguenza, la cottura deve essere seguita da vicino ed i componenti devono essere rimossi dal forno non appena il ciclo di cottura è completato, al fine di evitare il superamento di questi limiti.
Il software HumiTel ha i profili di baking memorizzati nel suo database. L'utente può comunque modificarli se necessario. Una volta che viene letto il barcode dei componenti dalla stazione presente vicino al forno di baking, HumiTel non mancherà di tenere traccia del trascorrere del tempo. Una luce allarme ed un cicalino possono essere collegati alla porta seriale RS232 del PC client. Appena il ciclo di cottura di una bobina o vassoio di componenti è completato, l'allarme avviserà l'utente di rimuovere i dispositivi dal forno.
Così come per la “breve durata” anche in questo caso se l'operatore rimuove una bobina o vassoio di componenti dal forno prima che il ciclo di cottura sia completato, verrà visualizzato un messaggio che avviserà di questo l'operatore. Se l'operatore sceglie di rimuovere i componenti dal forno di cottura in ogni caso, la floor life viene riportata al livello precedente.
Event Logging
Il software HumiTel offre la completa registrazione degli eventi relativi ai dispositivi MSD. Ogni scansione del codice a barre in entrata ed in uscita da una stazione viene registrato dal software ed i relativi dati immagazzinati nel database. L'utente può ricercare questi dati utilizzando il codice a barre. Questo livello di processo e di tracciabilità è importante soprattutto per l'alta affidabilità dei prodotti come dispositivi medici, avionici e quelli del settore automobilistico, così come per tutti i dispositivi che richiedono un'alta qualità.
Tipico flusso di lavoro con HumiTel
• Impostare i profili MSL ed i profili di baking - I vari profili devono essere configurati per le parti arrivate in magazzino prima che possano essere gestiti dal sistema. L'impostazione può essere effettuata in qualsiasi PC client HumiTel.
• Applicare etichetta con barcode - La stampa di codici a barre è integrata nel software HumiTel. L'utente può applicare l'etichetta sia al magazzino in entrata o nella prima stazione in cui il componente viene rimosso dalla confezione antiumidità con cui è arrivato (MBB). Quando il codice a barre viene creato, un ID univoco è associato ai componenti.
• Scansione - Gli operatori eseguono la scansione del codice a barre presente sulla bobina o cassetto ogni volta che i componenti sono spostati in un diverso ambiente o postazione. Poiché l'umidità relativa e temperatura sono monitorati dai sensori HumiTel, il calcolo della floor life è totalmente automatico.
• Rimuovere i dispositivi utilizzati - Dopo che i componenti sono stati completamente consumati nel processo di fabbricazione, l'operatore esegue un'ultima scansione del codice a barre identificativo della bobina o cassetto vuoto per rimuovere i componenti dal software HumiTel.
Una soluzione completa
Accuassembly (www.accuassembly.com) di cui ALLdata srl cura la distribuzione ed il supporto in Italia e nell'area Balcanica ha nel suo portafoglio prodotti la soluzione completa per la gestione dei dispositivi sensibili all'umidità (MSD), che va dalla piattaforma software HumiTel per la gestione dei dispositivi tramite l'utilizzo di sensori specializzati, passando per gli armadi a secco (Dry Box) disponibili in varie forme e dimensioni, ma sempre in grado di mantenere i dispositivi in un ambiente controllato con umidità relativa uguale o inferiore al 5%. Tramite questi armadi è possibile stoccare i dispositivi in attesa del loro utilizzo e contemporaneamente riportare il valore di floor life al 100% nel caso questi siano stati esposti all'umidità per un periodo inferiore alla “short duration” come descritto nella norma. È anche disponibile un Dry Box che oltre a mantenere l'umidità al più basso livello possibile realizza la funzione di “baking”, ripristinando al 100% i dispositivi che hanno superato l'esposizione di breve durata. La particolarità di questo armadio è quella di mantenere la temperatura di 40 °C al suo interno in modo da realizzare il baking come richiesto dalle specifiche alla più bassa temperatura possibile.
Questo si traduce in una riduzione dei costi e del lavoro necessario per trasferire i dispositivi dai vassoi o bobine con cui i dispositivi sono ricevuti (normalmente non possono sopportare temperature elevate) verso supporti speciali.
L'utilizzo di basse temperature inoltre limita l'effetto di ossidazione dei pin dei dispositivi.
Questi armadi inoltre possono mantenere l'umidità relativa a valori inferiori al 5% senza l'utilizzo di Azoto, il che consente un ulteriore risparmio ed una semplificazione logistica. Altri accessori sono disponibili per poter fornire una soluzione globale del problema.
