随着电子电气产品向着小型化、轻量化方面发展,电子元器件制造及电子产品PCBA装联也随之进入高密集、高集成化时代。为防止器件由于湿气导致的芯片内部腐蚀引起的器件失效及高温焊接过程“爆米花”效应产生的桥连,IPC-A-600、PC/JEDEC-STD-020C、IPC/JEDEC-STD-033C,包括GB、GJB、QJ1693ESDS等国家行业标准及行业“禁限用工艺规范”均对静电敏感器件、湿敏器件、塑封器件、PCB裸板等上线焊接前进行烘干除潮提出了严格规定及要求。
目前在电子行业制造过程中对静电敏感、湿敏器件、塑封器件、PCB裸板等采用普通烘箱烘干已经成为行业通用做法,但实际上,采用普通烘箱对含静电敏感及精密器件产品以及易燃易爆的化工品等进行烘干工艺过程中存在极大的安全隐患。具体表现如下:
1、静电损伤
普通烘干箱对静电敏感器件在烘干除潮过程中由于缺乏专业、安全的静电安此种不易排查的隐性故障导致产品靠性降低、危害性及损失更为巨大。
2、温冲损伤
精密器件(贴片阻容)在不具备温升梯度控制功能的烘干设备自然温升下,器件金属非金属材料密封连接位置因温冲导致的热膨胀系数失配易产生微裂纹(加温焊接过程中回流焊炉升温及传送速度过快、手工焊接未采用预热台避免器件不同材料间热膨胀系数失配,空气环境中水汽、硫等物质经损伤裂纹进入与器件内部金属进而发生湿腐蚀与硫化银腐蚀,该现象往往在两年或四年后逐渐显PCBA
3、烘干工艺效率问题
4、职业健康及环保
电子器件制造过程中应用了各种化工产品完成内部粘接、外部封装保护等。在器件烘干除潮过程高温条件下,这些化工产品极易挥发带有异味的有害气体污染环境、危害操作人员身体健康。
附表国际电子工业联接协会IPC/JEDEC-STD-033C电子器件烘干标准
电子元器件烘干除潮中工艺问题及解决工艺措施
电子元器件为何要烘干除潮?
电子元器件焊接装配前必须烘干除潮原因:
①电子元器件日常或超期存储受潮后不经烘干工艺处理,器件内部金属材料易因潮湿产生腐蚀现象(二年左右阻值、容值明显出现变化,严重的产生断路现象);对因设备机械贴片及焊接过程中温冲产生的器件密封失效未及时采取密封防护工艺措施,空气环境中水汽、硫等物质经密封裂纹(损伤)进入与器件内部金属进而发生湿腐蚀与硫化银腐蚀,该现象往往在两年或四年后逐渐显现出PCBA组件数据漂移或功能失效等故障,此种故障滞后现象对整机危害性巨大,损失往往是批次性的
②随着电子器件向高集成、小型化发展,线路日益密集,在电子行业制造过程中受潮器件在加温焊接过程中焊料飞溅造成短路,要求器件焊接(手工、再留焊、波峰焊)前必须要进行器件除湿烘干处理。尤其BGA、QFP等隐藏焊点或密间距器件,将因无法返修而报废
③电子组件焊后清洗及三防涂敷前后均需要按标准、工艺要求进行安全烘干处理。
对于静电敏感芯片或对器件可靠性要求高的重要产品为防止在制造过程中静电敏感器件的静电损伤,则从器件存贮、转运、烘干、成型、焊接、检测等全过程实现静电防护,ESD智能分屉式实验烘箱则是其中元器件上线焊接前烘干除潮工序中重要的烘干静电防护设备!该型设备采用双静电防护通,即采用“整机保阻硬接地软接地”结合方式。其中软接地采用石墨烯耐高温耗散性导电材料制成,粘接强度高;软硬接地并设计,这样的设计结构无论器件取放还是设备工作过程通断瞬间及设备移动过程中均能保证设备中静电的安全泄放,符合GJB3007-97以及欧盟EN61340防静电标准,确保静电敏感产品烘干全过程的静电防护安全、可靠。
如何防止不同材料(金属/非金属)制成精密元器件烘干除潮工艺中由于热膨胀系数失配密封失效?
精密元器件一般由金属、非金属材料制成。在烘干除潮过程中传统工艺一般采用普通的热风烘箱进行烘干除潮工作,升温过程自室温自然快速升温到设定烘干温度(40℃/90/125),这样不受控的自然斜率升温曲线对由金属、非金属材料共同制成的精密元器件易由于金属、非金属材料不同的热膨胀系数失配造成精密器件温度应力损伤,尤其由陶瓷、玻璃釉等非金属封装的器件在快速升温条件下金属、非金属连接部位出现裂纹,损伤率极高。
初期故障表现为为PCBA板级组件数据漂移,最终PCBA板级组件功能失效,一方面起始于空气中水汽经损伤裂纹进入器件内部与金属发生湿腐蚀,故障一般在两年左右方才显现可测;另外空气中硫与器件中金属银发生的硫化银腐蚀,往往在四年后才逐渐显现。这种隐性制造缺陷滞后的现象对电子产品制造厂商危害极大,一旦出现就是批量质量问题,造成的直接及售后损失巨大。
因此,针对此类器件ESD智能分屉式实验烘箱采用专业安全的升温梯度控制措施,除九点测温保证温度精度at200℃,无负荷状态下(测温±1.0℃),at100℃,无负荷状态下(测温±0.5℃,控温±2.0℃)、均匀度±2℃等指标要求严格外,升温速率应控制在5~10℃/min。
PCB的去湿需要釆用阶梯式缓慢升温(梯度升温),而不是急速升温。这不仅仅是为了顺应环氧树脂对水分子的释放特性,更重要的是为了避免急速升温造成PCB翘曲。同样,经过烘烤排潮完毕以后,板子的降温也必须釆用缓慢降温(斜度降温)的方式,以避免“急冷”在PCB基材内部形成局部应力,从而导致板子翘曲。PCB经过高温烘烤,特别是烘烤温度接近或超过基材的玻璃态转化温度(Tg)后,基材中的树脂处高度柔软的弹性状态,此时,如果采用急速冷却,板面有、无铜箔电路(或板芯内层电路)的环氧玻璃布绝缘基材之间,经历的降温速度就会产生较大的差异。这种降温速度差,会使烘烤过程中已经软化了的树脂,在有和无铜箔部位的冷却硬化速度不一致,从而形成局部应力。取板操作时烘箱温度与室温之间的温差越大,降温速度差异导致的这种应力也会越大,板面翘曲的后果也越严重!因此,PCB裸板在实验烘箱内必须采用缓慢或自然降温,待温度降至60°C以下后,方可取出。
仅就排除潮气而言,PCB组件制造过程不建议把烘板的温度提升到基板的玻璃态转化温度(Tg)125℃以上,除非需要在排潮烘板的过程中,同时去除板子内的残余应力。通常,去应力烘板必须将温度提升到基板(例如环氧玻璃布层压板)的Tg温度再20℃以上的范围内,并严格执行梯度升温(有恒温平台和斜度(℃/min)降温(不需要设置恒温平台)的操作规范。如果板子有轻度翘曲需要在去应力烘板过程中加以校平,还必须对板子作平放加压,或使用夹持工装压紧。显然,“去应力”烘板,也同时就完成了“排潮”烘板。
通常,我们把Tg≤130℃的印制板基材称作低Tg板;把Tg=150℃±20℃的印制板基材称作中Tg板;把Tg≥170℃的印制板基材称作高Tg板。无论何种类型Tg值的印制板,在其Tg温度以下,由于基材环氧树脂始终保持着坚硬的刚性状态,因而冷却时形成局部内生应力的几率很低,其板子发生翘曲的几率也就很低。高Tg板子不仅吸水率低,而且热膨胀收缩率(CTE)几率也很低。这也正是为什么手机板等高密度印制板(HDI),和芯片封装用印制板(COB)要选用高Tg基材,及高Tg板焊接前很少需要烘板排潮的原因之一。当然,由于手机生产周期短,一般情况下PCB从出厂到完成焊装,大多都在几十个小时以内,“吸潮”的可能性几乎可以忽略不计。
PCB裸板预烘条件:(80~100℃)±5℃,升温速率5℃~10℃/min的烘箱里烘8h±2h,取出时采取烘箱内自然降温至60℃以下方可安全取出。烘烤完成的PCB要求在半个工作日内完成装焊,暂时不能装焊的需包装好保存在干燥柜或防潮功能的包装材料内。为消除PCB裸板烘干除潮过程中板面的翘曲、形变,ESD智能分屉式实验级别烘箱配套了PCB裸板专用压板以控制烘干过程板面的形变,其次通过自然降温等工艺措施释放板面残存应力以保证PCB裸板烘干除潮后的板面平面度;对于要求严格的产品,PCB裸板烘烤时必须竖立放置在夹紧装置上,夹紧装置必须能在烘烤周期内为PCB提供足够的支撑,以防止PCB翘曲。
ESD智能分屉式实验烘箱采用单机多温、多屉设计,标准每屉30~40L,不同零件、组件取放灵活,无干扰;不同类型产品可通过分屉计时0~99~999h,复位自动计时、定时声光提示。
ESD智能分屉式实验烘箱单机设备通过不同元器件分屉计时、单机分单元不同温控、升温梯度精密制技术及热空气流量仿真对结构进行了优化设计。不同的加热、隔热单元,独立可流量控制的进气、排气通道可专业安全的将每单元、每屉的温度均匀度控制在±2℃以内,在提高试验、生产过程中烘干工艺效率同时,将设备单元实际温控精度达到实验级水平。
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