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