Sensibili all’umidità

MOISTURE SENSITIVE DEVICES –

I circuiti integrati, in particolare quelli con package di grosse dimensioni come Bga, stacked die, Plcc e Qfp, tendono ad assorbire umidità dall’ambiente perché il molding epossidico che racchiude il die è igroscopico.

L'aumentata sensibilità verso temi quali la sicurezza e l'affidabilità ha portato gli operatori a porre maggiore enfasi sulla salvaguardia dei componenti sensibili all'umidità (Moisture Sensitive Device) come i componenti fine-pitch e i BGA.
I componenti elettronici, come pure i circuiti stampati, tolti dalla confezione protettiva originale assorbono umidità dall'ambiente che, durante la saldatura, forma al loro interno sacche di vapore.
Questi dispositivi in fase di saldatura sono sottoposti a elevate temperature per tempi brevi, l'umidità intrappolata all'interno del corpo plastico dei dispositivi (il molding) vaporizzando provoca una forte pressione capace di danneggiare e in molti casi distruggere il componente. All'interno del componente si produce una delaminazione del molding rispetto al die o al lead-frame, sovente con una rottura a livello di wire bond o con danneggiamento del die.
Nel momento in cui il fenomeno interessa la superficie esterna si produce l'effetto popcorn, che ha il merito di avvisare l'operatore del problema; diversamente potrebbe passare inosservato e, se il componente è ancora funzionante, pregiudicarne l'affidabilità futura.
Il problema della saldatura dei componenti MSD è tuttora sottovalutato da molti operatori del settore, esattamente come a volte capita per il pericolo delle scariche elettrostatiche. C'è però una differenza tra i due casi. Se per il fenomeno ESD il danno causato dalla mancanza di protezione può danneggiare qualche componente, il rischio nel caso MSD è che il danno coinvolga l'intero lotto di componenti che ha assorbito l'umidità.
Col termine floor life si intende il tempo che l'operatore ha a disposizione da quando toglie il componente dalla busta barriera (o dalla protezione sotto vuoto) a quando inizia l'operazione di saldatura, usualmente in forno, ma anche di re-work.
Per una corretta gestione dei componenti in base alla loro floor life, si fa riferimento alla normativa IPC che riporta una classificazione stabilente i termini di esposizione nell'ambiente dei componenti:

- Livello 1: tempo di esposizione illimitato a 30 °C MAX con HR 85%
- Livello 2: un anno di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 2a: quattro settimane di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 3: 168 ore di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 4: 72 ore di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 5: 48 ore di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 5a: 24 ore di esposizione a 30 °C MAX con HR 60%
- Livello 6: è richiesta l'operazione di bake prima dell'utilizzo, il componente deve essere saldato entro il tempo limite riportato nelle sue specifiche

La normativa riporta inoltre le principali precauzioni da adottare durante l'handling di questi componenti, che riguarda il loro confezionamento, la spedizione e l'utilizzo in produzione.
Sono state inoltre studiate diverse tecniche per combattere l'assorbimento di umidità o riportare a zero la Floor-Life dei componenti.
I componenti MSD vanno conservati in buste barriera contenenti sali essiccanti. La normativa prevede al loro interno la presenza di un indicatore di umidità e che sulla confezione sia apposta un'etichetta che riporti le informazioni inerenti la shelf life (shelf life è il tempo di conservazione a un predefinito e costante valore di umidità di un dispositivo MSD all'interno di una busta barriera), la massima temperatura sopportata dal package durante la rifusione, il tempo in cui il componente può rimanere esposto alle condizioni ambientali dopo l'apertura della confezione e le informazioni relative all'eventuale baking.
I componenti esposti all'umidità che hanno raggiunto il limite di tempo utile definito dalla floor life devono essere ricondizionati con un trattamento in forno mediante baking. L'attenzione maggiore va posta nel prevenire quanto più possibile l'assorbimento dell'umidità, pertanto meglio sarebbe curare le procedure di confezionamento.
In ogni caso in base al livello di appartenenza e allo spessore del corpo del componente il tempo di baking può variare da qualche ora a diversi giorni, e va eseguito in un forno con umidità relativa inferiore al 5%, con temperature che vanno dai 40 °C ai 125 °C, facendo attenzione che il trattamento a temperature elevate (90 - 125 °C) può causare l'ossidazione dei pin, oltre che deformare i supporti dei componenti (tubi, bobine, nastri).
Infatti come tutti i processi termici, lavorando in temperatura, il baking può diminuire la saldabilità dei terminali accelerandone il naturale processo di ossidazione o causando un'eccessiva crescita dell'intermetallico.
Per evitare questi problemi è consigliato l'uso di armadi essiccanti con un livello di umidità controllata inferiore a 5% RH e con riscaldamento a 40 °C; il tempo di baking è più lungo, ma non produce danni a componenti e supporti.

La conservazione dei componenti
La necessità di conservare i componenti MSD fino al momento in cui sono utilizzati nell'assemblaggio dei pcb, ha condotto allo sviluppo di una serie di soluzioni tecnologiche finalizzate alla prevenzione e alla rimozione dell'umidità.
Le buste barriera sono costituite da multistrati in plastica ed alluminio che impediscono nel tempo il passaggio dell'aria, hanno buone caratteristiche meccaniche e possono normalmente essere riutilizzate diverse volte.
Le buste sono disponibili in formati diversi con spessori che arrivano a 150μ, posseggono anche caratteristiche ESD e nell'insieme costituiscono una impenetrabile barriera per l'umidità, preservando al contempo anche la componente metallica del componente dall'ossidazione. All'interno della busta, coi componenti da conservare, vanno inseriti un sacchettino con l'agente disidratante e l'indicatore di umidità; il tutto viene chiuso per termosaldatura, ma non prima di aver creato il vuoto.
Nel considerare quale buste barriera scegliere, sono da valutare il valore di MVTR, la resistenza meccanica data dallo spessore delle pareti, la compatibilità con la propria macchina di termosaldatura e con la normativa ESD.
MVTR è l'acronimo di Moisture Vapor Transmission Rate, è la misura della permeabilità di un film plastico o di un film plastico metallizzato al passaggio umidità; in altre parole è la misura della velocità con cui l'umidità passa attraverso un materiale barriera. Sui technical data sheet è espresso in grammi per pollice quadrato in 24 ore (gr/in2/24h). Al diminuire di questo valore aumenta il tempo utile di permanenza del componente nella busta e diminuisce la quantità di materiale essiccante necessaria al suo interno.
La sigillatura delle buste può essere fatta con una normale saldatrice a barra calda, me meglio è l'utilizzo della termosaldatrice sottovuoto ad aspirazione esterna o a campana.
In tutti i casi è necessario che la saldatura sia meccanicamente perfetta e la sua tenuta sicura nel tempo. Il vuoto all'interno della busta serve per togliere umidità ed ossigeno, deve però essere a livelli bassi (50-70% di vuoto), un valore di vuoto più alto è pericoloso poiché favorisce la diffusione dell'umidità, danneggia i reel, e può impedire il corretto funzionamento dell'agente essiccante. La soluzione migliore è utilizzare macchine termosaldatrici sottovuoto a campana con immissione di gas inerte (azoto), questo sistema permette di estrarre completamente l'aria dalla busta barriera e sostituirla con il gas inerte, evitando di stressare meccanicamente il contenuto.
I sacchetti disidratanti vengono comunemente utilizzati per assorbire l'umidità presente all'interno degli imballaggi e per proteggere i componenti sensibili all'umidità durante il trasporto o lo stoccaggio. La natura del prodotto da proteggere, il tipo di imballaggio e il risultato finale che si desidera ottenere, determinano la scelta del disidratante più adatto alle varie applicazioni.
L'agente essiccante deve essere pulito, non corrosivo e confezionato in bustine permeabili all'umidità. La quantità da utilizzare in ogni busta barriera è in funzione della dimensione della busta e del suo valore di WVTR, e tale da limitare il valore di umidità relativa al suo interno a meno del 10% a 25 °C. All'interno delle buste barriera non deve essere riposto materiale igroscopico (stecche, reel, vassoi, ecc.) rimasto a lungo esposto all'umidità ambientale senza che sia stato prima sottoposto a baking. Il loro inserimento richiede che sia aumentata la quantità di materiale essiccante al fine di raggiungere la shelf life desiderata.
L'agente essiccante, normalmente argilla racchiusa in sacchetti, assorbe l'umidità interna alla busta dopo che questa è stata sigillata a caldo, ed anche l'eventuale umidità che dovesse penetrare dall'esterno. La quantità di dessiccante da inserire viene calcolata in base alle dimensioni della busta, all'Indice di Trasmissione del Vapore della busta (MVTR), ed al tempo programmato di immagazzinamento.
I sacchetti che contengono l'agente attivo sono disponibili in vari materiali, ciascuno studiato per offrire ottime prestazioni e garantire la massima versatilità in ogni applicazione. Possono essere realizzati in tessuto non tessuto, disponibile in vari spessori è la migliore soluzione quando si desidera un'alta resistenza agli stress meccanici ed una veloce azione disidratante. Questi sacchetti trovano la loro naturale applicazione nella protezione dall'umidità all'interno di ogni tipo di imballo industriale, durante lo stoccaggio e il trasporto. Un tipo particolare è il Tyvek, composto da fibre di politene permeabile all'umidità, caratteristiche che li rendono particolarmente adatti nelle applicazioni elettroniche e raccomandati in camera bianca. I sacchetti disidratanti con involucro dissipativo (ESD Safe) sono ottenuti tramite una particolare lavorazione che li rende utilizzabili in ogni area EPA. Anche in presenza di bassi tenori di umidità relativa, i sacchetti disidratanti ESD Safe mantengono le loro qualità dissipative inalterate.
I micro bag sono sacchetti disidratanti di piccole dimensioni (massimo 2gr) a totale tenuta di polvere, Possono essere prodotti utilizzando differenti tipi di agente disidratante (argilla attivata, gel di silice, setacci molecolari, o miscele di disidratanti). Le piccole dimensioni e l'involucro in Tyvek li rendono perfetti per piccoli imballaggi e per la protezione di materiali particolarmente delicati.

Indicatori di umidità
L'indicatore di umidità o HIC (Humidity Indicator Card) è un cartoncino impregnato con un principio chimico attivo che indica visivamente il superamento di un dato livello di umidità relativa virando di colore. Servono ad assicurare all'utilizzatore che all'apertura della busta i componenti MSD siano rimasti al riparo dall'esposizione all'umidità. Gli indicatori sono usualmente reversibili, ma sono disponibili anche in versione non reversibile per esigenze specifiche.
Hanno come minimo tre finestre, impregnate di una speciale sostanza chimica che vira progressivamente (marrone-azzurro e blu-rosa) al raggiungimento di un'umidità relativa di 5%, 10% e 60%. Ovviamente vanno conservati in un contenitore impermeabile all'umidità.
Inizialmente gli indicatori di umidità erano prodotti che contenevano dicloruro di cobalto, sostanza altamente tossica, ora sono commercializzati con formulazioni non pericolose.
L'ulteriore esperienza accumulata nella fase di sviluppo dei nuovi indicatori d'umidità ha permesso la nascita di un prodotto qualitativamente all'avanguardia che garantisce la massima accuratezza della misurazione in presenza di bassi tenori di umidità relativa.
È disponibile anche l'indicatore a uno spot, che è tarato per virare al superamento dell' 8% di umidità relativa; viene usualmente inserito all'interno di ogni confezione di disidratante per permette di controllare l'integrità del packaging e l'eventuale attività dei disidratanti contenuti al suo interno.

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