Post on 11-Jan-2016
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Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD)
Ein echtes Problem in der Produktion
Hintergrund
Feuchtigkeit verursacht an Oberflächen und dort angebrachten Bauteilen Probleme
Kunststoffverpackungen sind oft für Luftfeuchtigkeit durchlässig
Gehäuste Bauteile, einer Erwärmung ausgesetzt, können durch eingedrungene Feuchtigkeit beschädigt werden (Popcorning)
durch Feuchtigkeit verursachte Schäden, bleiben meist unentdeckt und führen erst nach 2 – 6 Monaten zum Ausfall
Hohe Verarbeitungstemperaturen von bleifreien Lotlegierungen verstärken das Problem
Bleifrei und Popcorning
Quelle: Intel
Popcorning Epoxy, überwiegend für eingegossene Bauteile
verwendet, ist hygroskopisch Bei der Verarbeitung entstehen Temperaturen bis zu
260º C Schnelles Einbringen hoher Temperaturen erzeugt
einen hohen Dampfdruck welcher nicht entweichen kann
Popcorning
Ablösungen der Verbindung durch Schichtspaltung und Bildung einer Dampfblase sind die unmittelbare Folge
Dies ist in den meisten Fällen nicht ersichtlich
Popcorning
Wird die Dehnfähigkeit überschritten kommt es zu einem Bruch oder Riss (Crack) , der Wasserdampf entweicht schlagartig.
Durch diese „undichte Verpackung“ dringt Sauerstoff ein und zerstört langsam das Bauelement.
Popcorning
Popcorning Beispiel 1
BGA Baustein, mit sichtbarem Spalt zwischen Glasfaserträger and Kunststoffeinbettung
Popcorning Beispiel 2
QFP Baustein, mit Riss an der Oberfläche der Kunststoffeinbettung
Popcorning Beispiel 3
Mikroausschnitt eines BGA mit ersichtlicher Schichtspaltung und Riss zwischen Verguss- und Trägermaterial
Popcorning Beispiel 4
BGA Baustein, mit Riss zwischen Trägermaterial und Kunststoffeinbettung
Popcorning Beispiel 5
QFP Baustein, mit Riss an der Unterseite des Trägermaterials
IPC-Levels für IC`s
Quelle: IPC
IPC-Levels für IC`s
Quelle: Intel
Bauteilfeuchtigkeit Übersicht
Quelle: Intel
Absorption
Quelle: Intel
Absorption
Quelle: Intel
Herkömmliche Prävention
Bislang wurden Leiterplatten und Bauteile gegen Feuchtigkeitseintrag durch Tempern behandelt
Temperaturen von 40°C bis 125°C für die Dauer von einer Stunde bis zu einer Woche werden eingesetzt
Das erhöht sowohl die Produktionszeiten wie auch die Produktionskosten
Dieses Verfahren wird noch nach IPC Spezifikationen definiert
Probleme beim thermischen Trocknen
Die Lötfähigkeit wird vermindert Entstehung intermetallischer Schichten wird
begünstigt, selbst bei niedrigen Temperaturen (40° C) „Backen“ nur einmal erlaubt (IPC) Hohe Betriebskosten der Heizöfen Heizöfen belegen wertvollen Raum innerhalb der
Produktionsstätten
Lötbarkeit
Wetting Times
0.42
0.44
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
0.56
0.58
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sample Number
Tim
e t
o Z
ero
SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux
LötbarkeitSOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100°C
Wetting Times
0.70
0.72
0.74
0.76
0.78
0.80
0.82
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sample Number
Tim
e t
o Z
ero
LötbarkeitSOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100° SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, ohne Backen
Wetting Times
0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sample Number
Tim
e t
o Z
ero
Bildung intermetallischer Schichten
Die Zunahme intermetallischer Schichten liegt bei ca. 50% durch eine viertägige Trocknung bei 125°C
Dies bezieht sich hauptsächlich auf die Kupferbeschichtung Cu6 Sn5, betroffen sind jedoch alle Schichten
Intermetallische Schichten entstehen im Zusammenspiel von Zeit und Temperatur
Dicke intermetallische Schichten vermindern die Qualität der Lötverbindung und verhindern im Extremfall sogar die Lötbarkeit
Alternative Prävention Einsatz eines Trockenlagerschranks
Keine Verminderung der Lötbarkeit durch verzicht auf Erhitzen
Oxydationsschutz durch Feuchtereduktion Beseitigung aller Feuchtigkeit über ein
regenerierbares Trocknungssystem Niedrige Betriebskosten Effizientere Raumnutzung innerhalb der
Produktionsstätten
Vielfalt der TrockenlagerungVielfalt der Trockenlagerung
MBB (feuchtigkeitssperrende MBB (feuchtigkeitssperrende Verpackung )Verpackung )
StickstofflagerschrankStickstofflagerschrank TrockenluftkabineTrockenluftkabine TrockenlagerschrankTrockenlagerschrank
Pro u. Kontra von MBBPro u. Kontra von MBB
ProPro Niedrige Einführungskosten,
geringe Investition
KontraKontra Gefahr unverschlossener oder
beschädigter Verpackungen
Mit Feuchtigkeit gesättigtes Silica Gel Trocknungsmittel
Falsche Lagerung des Silica Gel Trocknungsmittels
Arbeitsintensiv
Pro u. Kontra von Pro u. Kontra von StickstoffbehälternStickstoffbehältern
Pro Stickstoff ist leicht erhältlich Allgemein bekannt
KontraKontra Selten richtig Gewartet Kaum auf Effektivität geprüft Hohe Betriebskosten Installation erforderlich nicht überall verfügbar /
realisierbar Sehr teueres, reines Stickstoff
wird benötigt!! Zum trocknen ungeeignet
Kostenvergleich mit N²· Annahmen
N² Kosten ~ 0.19 € / m³Stromkosten ~ 0.06 € / KWhmittlerer N² Verbrauch ~ 25 L / minAnschaffungskosten Totech ~ 7 600.00 €
· laufende Kosten eines N² LagerschrankesVerbrauch: 25 L / min oder 1 080 000 L / Monat oder 1080 m³ / MonatKosten: 205,20 € / Monat, 2462.40 € / Jahr
· laufende Kosten eines Totech Lagerschrankes Verbrauch: 0.056 kW / h oder 40.32 kW / MonatKosten: 2.42 € / Monat, 29.09 € / JahrKosteneinsparung im Jahr: 2 433.31 €
37.5 Monate Refinanzierung (Anschaffungskosten: 7 600.00 €) über Verbrauch ~3 Jahre
Diese Berechnung enthält keine Installationskosten und Leasinggebühren (für Flaschen) wie sie bei Verwendung von Stickstoff anfallen.
Trockenlagerschränke
Geschichte der Trockenlagerschränke
1974 Entwicklung des ersten auto-regenerierenden Trockenlagerschranks für den Verbrauchermarkt. Dieser Schrank nutzte vorgetrocknetes Silica-Gel, welches durch eine Heizung in einem Zeitintervall regelmäßig entfeuchtet wurde.
1976 Einführung von synthetischem Zeolite (Molekulare Siebe) als Ersatz zum Silica-Gel
1982 Neue, patentierte Trocknungseinheit ermöglicht extrem niedrige Feuchtigkeitswerte (Totech, Japan)
1987 Texas Instruments setzt als erstes Trockenlagerschränke für die Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Bauelemente in der Elektronik ein. Vor dieser Anwendung wurden Trocknungsschränke nur in der Optikindustrie und im Konsumgüterbereich eingesetzt.
Pro u. Kontra des Trockenlagerschranks
KontraKontra
Hohe Anschaffungskosten
ProPro
Trocknet ohne Temperatureinwirkung
Schneller Trocknungsprozess Keine Wartung Elektronisch überwachte
Feuchteregelung Niedrige Energiekosten Luftdicht Beweglich auf lenkbaren Rollen
Empfehlung der Trocknungszeiten
Bei gleicher Temperatur entspricht die Trocknungszeit der IPC empfohlenen Verarbeitunszeit.
SDE-Serie
HSD-Serie
Akzeptanz des Akzeptanz des TrockenlagerschranksTrockenlagerschranks
Jährlicher Absatz von ca. 200000 Einheiten, überwiegend im asiatischen Raum
Weltweiter Absatz von ca. 10.000 Einheiten pro Jahr mit Trocknungswerte unter 5% RH
Insgesamt 8-10 Trockenlagerschrank Hersteller weltweit
Zunehmende Nachfrage in Europa (Bleifrei)
J APAN 75%EXPORT 25%
TrockenlagerschrankversorgungTrockenlagerschrankversorgung
8-10 große Hersteller weltweit Mindestanforderung sollte bei 5% RH liegen Trockenschränke werden überwiegend für den
privaten Verbrauchermarkt (d.h. 30-50% RH) hergestellt
Die Nachfrage für Schränke für extrem niedrige Feuchtigkeit steigt
Einsatzmöglichkeiten
Crystal Resonator
Optical Fiber,
CCD etc
(LCG) Liquid Crystal Glass
CSP, BGA, QFP etc
Printed Circuit Boards
Wafers
Ceramics
IPC/JEDEC 033a AnwendungIPC/JEDEC 033a Anwendung
Trockenlagerschrank mit 10% RH
Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einem Trockenlagerschrank bei höchstens 10% RH gelagert werden. Diese Lagerung ist aber nicht mit MBB vergleichbar. Sollte die maximale Dauer nach IPC (Tabelle 7-1) überschritten werden ist ein Tempern nach IPC erforderlich.
IPC/JEDEC 033 AnwendungIPC/JEDEC 033 Anwendung
Trockenlagerschrank mit 5% RH
Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einer Trockenluftkabine bei höchstens 5% RH gelagert werden. Diese Lagerung ist mit MBB vergleichbar und gewährleistet eine unbegrenzte Lagerfähigkeit.
FunktionsweiseFunktionsweisedes des TrockenlagerschranksTrockenlagerschranks
Funktionsprinzip
Die Trocknungseinheit arbeitet mit einem Lüfter im Umluftverfahren.
Die Wassermolekühle in der Luft werden beim passieren der Trocknungseinheit durch das Zeolit ausgefiltert.
Beim zyklische Recycling des Zeolits wird mit Hilfe von erhöhter Temperatur die aufgenommene Feuchtigkeit an die Raumluft abgegeben.
Die Funktion der Trockeneinheit
Ventil innen
Trockenmittel Zeolith
Ventil innen
Ventil außen (Wasserdampfaustritt in der Recyclingphase)
Ventil außen
Lüfter
ZeolithZeolith
Synthetisch produzierter Zeolith A
47% offene Fläche Hohes Maß an Absorption
bei niedrigem RH Wert Hervorragende
Regenerationseigenschaften
Funktionsprinzip
Um eine minimale Konta-mination mit Außenluft sicherzustellen stoppt der Lüfter automatisch, sobald eine Tür geöffnet wird.(Besonderheit Super-Dry)
Funktionsprinzip
Nach schließen der Tür sorgt der Lüfter für eine schnelle Entfeuchtung des luftdicht abgeschlossenen Innenraums.
Kalibrierung
kalibrierbar durch Austausch der kompletten Sensorsplatine
Wartungsempfehlung
Die Trocknungseinheit arbeitet mit einem Lüfter im unterbrochenen Betrieb (30% an). Der Lüftermotor (besonders die Lager) unterliegt einem mechanischen Verschleiß. Um die Funktion des Lüfters sicherzustellen sollte man ihn nach der angegebenen Laufleistung prophylaktisch austauschen.(dreifache Laufleistung durch unterbrochenen Betrieb, ca. 10 Jahre)
GrundvoraussetzungenGrundvoraussetzungen
Kurze Wiederherstellungszeiten nach Zugriff
Aufrechterhalten konstanter RH Werte nach Wiederherstellung
Regelgenauigkeit
Feuchtigkeitsanstieg bei Stromausfall
Funktionen von SD und HSD
ON/OFF Schalter auf der Frontseite stufenlose Feuchtigkeitseinstellung automatisch rückstellende
Temperaturanzeige Alarm Funktion bei geöffneter Tür zeitverzögerter Feuchtealarm mit
LED Verriegelung des Bedienpanels
gegen unbeabsichtigtes verstellen oder ausschalten
SD-Serie
HSD-Serie mit einer zweiten Trockeneinheit
Trocknungsleistung Trocknungsleistung verschiedener Typenverschiedener Typen
Wiederherstellungszeiten Wiederherstellungszeiten minimieren durchminimieren durch
Bessere Verwahrung u. Kontrolle feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile MSD
Zusätzliche Trockeneinheiten (2 oder 3) Luftumwälzung (an Türschalter gekoppelt) Erwärmte Luft N2 Stickstoffspülung Kurze Zugriffszeiten (offene Türen)
Schrankgröße u. -EinrichtungSchrankgröße u. -Einrichtung
Die Anzahl der Türen entspricht nicht der Anzahl der einzelnen Staufächer
Kleine Türen bewirken kurze Wiederherstellungszeiten (geringer Luftaustausch)
Gleiche Bauart der Trockeneinheit in allen Modellen
Staufächer nicht größer als nötig auslegen
Option: DatenloggerFunktion Messung von Relativer Luftfeuchte und Lufttemperatur interne Speicherung von bis zu 16.000 Messwerten (8.000 Datensätze mit Datum, Uhrzeit, Luftfeuchte und
Temperatur) Grenzwertüberwachung für beide Messgrößen Eingänge interne Sensoren für Relative Luftfeuchte und Temperatur Messbereich Luftfeuchte 0 ... 90 % rel. Feuchte (Auflösung 0.5%; Genauigkeit +/- 3%) Messbereich Temperatur -30 ... +50 °C (Auflösung 0.5 °C; Genauigkeit ± 1 K) Konfiguration über Software MicroLab Plus wählbare Zykluszeit für die Messwertspeicherung 10 Sekunden ... 2 Stunden einstellbare Grenzwerte für beide Messgrößen Anzeige und Bedienung LC - Display 2 digit zur Anzeige von Momentanwerten oder MIN/MAX-Werten 2 Tasten-Bedienung für sämtliche Einstellungen Kommunikation RS232-Standardschnittstelle Infrarotschnittstelle Versorgung interne Lithium-Batterie 3.6 V TL5101, wechselbar Batterielebensdauer ca. 2 Jahre Gehäuse Kunststoff; Schutzgrad IP65 Abmessungen Durchmesser 72 mm x 23 mm; Gewicht 55 gr
Option: Datenlogger
Option: Alarmmeldungen Warnton / Warnleuchte
bei offener Tür nach 90 Sekunden
Warnton / Warnleuchte oder SMS-Alarm bei Überschreitung eines RH Grenzwertes nach vorgegebener Zeit
Option: Spulenständer
Option: Spulenständer
Doppel-Reel-Rack auf kugelgelagertem Auszug
Option: Facheinteilung
Option: Stickstoffspülung
stand-by bis 0 -20 l/min kontinuierlich
automatische Aktivierung der Spülfunktion ( max 100 l/min) nach schließen der Türen
Timer zur Reduzierung des N² Verbrauchs
Sonderlösungen
ZusammenfassungZusammenfassung
Wichtig sind:
Ein guter Schutz feuchtigkeits- empfindlicher Gegenstände und Bauteile
Eine geschlossene Sensorgesteuerte Regelung
Die Luftumwälzung zur Dehydrierungsbeschleunigung
Die Verwendung guter Zeolithen mit offener Oberflächenstruktur