L'umidità è un parassita invisibile che può causare gravi lesioni ai componenti elettronici, se questi non sono maneggiati e immagazzinati secondo le norme. I componenti elettronici, inclusi i Led, come pure i circuiti stampati, tolti dalla confezione protettiva originale, assorbono umidità dall'ambiente e all'atto della saldatura mediante reflow, l'alta temperatura causa del vapore al loro interno. Vapore sotto pressione che espandendosi velocemente cerca una via di fuga verso l'esterno sviluppando forze interne tali da provocare rigonfiamenti (pop corn) con conseguenti micro fenditure nel corpo del componente, delaminazioni interne tra chip e corpo plastico, interruzione delle interconnessioni elettriche tra il chip e il lead-frame oltre a potenziali corrosioni nel tempo provocate dall'umidità che entra dalle micro fessure. Nei Pcb gli effetti si manifestano invece sotto forma di delaminazioni esterne “sbollature” e separazione delle laminazioni di piani interni. I componenti sensibili all'umidità, MSD (Moisture Sensitive Devices), dispongono di una vita limitata (Floor Life) che corrisponde al massimo tempo accettabile dal momento di rimozione dall'imballo dry pack fino al momento di esposizione alla temperatura di "reflow". Questa durata viene riportata sulla norma in base al livello di sensibilità MSL (Moisture Sensitivity Level) definito per ogni tipo di componente. Saldando dei componenti MSD che hanno superato il tempo di Floor Life si corre il rischio che essi vengano irrimediabilmente danneggiati con effetto immediato o in maniera latente nel tempo. È importante rimarcare che il danno non riguarda mai un solo componente, ma in alcuni casi tutta la confezione (vassoio o bobina) di un intero lotto di produzione inavvertitamente rimasti esposti in ambiente oltre il tempo consentito. Normalmente, i componenti MSDs vengono spediti dal costruttore confezionati dentro un imballo standard definito Dry-Pack che è composto da busta barriera (MBB), dessicanti (bustine di argilla, silica gel) e cartina indicatrice di umidità HIC. Sovente il Dry-Pack viene sigillato sotto vuoto. Scopo di questo imballo è garantire al suo interno un'umidità uguale o inferiore al 5% per 12 mesi, a partire dalla data di sigillatura. Una volta aperta la confezione inizia il conteggio a scalare della Floor Life del contenuto. Tutte le informazioni riguardanti il contenuto (MSL, Floor Life, data di sigillatura, Baking, ecc) sono normalmente riportate su apposite etichette.
Normative o standard
La normativa IPC/JEDEC J-STD-020D.1 identifica i livelli di classificazione dei componenti SMDs, non ermetici, sensibili all'umidità. Viene utilizzata dal produttore del componente per stabilire livello "MSL" e per tracciare un profilo termico quindi le temperature massime a cui sottoporre quel componenti durante saldatura reflow. La normativa IPC/JEDEC J-STD-033B.1 è invece destinata agli assemblatori di schede e definisce i metodi standard per l'imballo, la conservazione, la spedizione e l'uso dei componenti MSDs.
Entrambe le normative riferiscono ai medesimi livelli di sensibilità MSL . Ogni livello è espresso numericamente, più è alto il livello più il dispositivo è vulnerabile. Il livello MSL-1 identifica i componenti che sono immuni da danni causati dall'umidità e il livello MSL-5a identifica i componenti più sensibili. Vi è poi il livello MSL-6 , relativo ai componenti estremamente sensibili all'umidità per cui l'assemblatore deve sempre fare il bake e montarli entro il tempo (breve) indicato dal costruttore
Impatto Pb Free
Con l'avvento dei processi di saldatura Pb Free è aumentato notevolmente il rischio derivato da una impropria gestione dei MSD. Con l'innalzamento della temperatura di rifusione, aumenta anche la temperatura dell'acqua (moisture) eventualmente presente all'interno del componente determinando così una maggiore pressione del vapore sviluppato. Viene dichiarato che la temperatura di reflow per Pb Free, nel caso di presenza moisture, sviluppa una pressione sino a tre volte superiore a quella riscontrata saldando con profilo termico SnPb. Capita infatti che i costruttori attribuiscano al componente un MSL meno severo nel caso in cui essendo dichiarato Pb Free, venga saldato invece con processo di reflow SnPb. Non tutti i componenti classificati MSL-1 (F-L illimitata) sono da considerare esenti da rischi, è opportuno ridurre l'esposizione all'umidità di tutti i componenti, non fosse altro che per evitare ossidazioni dei terminali e quindi problemi di saldabilità.
Le soluzioni
1 - Fermare l'orologio: evitare che l'esposizione dei MSDs all'umidità ambientale superi il tempo di "Floor Life" stabilito dal relativo MSL. Per soddisfare questa condizione, i MSD rimossi dal Dry-Pack originale, in attesa di montaggio o di eventuale risigillatura in dry-pack, devono essere stoccati in ambiente con valore di RH uguale o inferiore al 5% (stop the clock) ove magari, per alcuni tipi di packages avviene anche il recupero parziale dell'asciugatura.
2 - Riportare indietro l'orologio: Una volta superato il tempo limite di esposizione occorre ripristinare la "Floor Life" rimuovendo l'umidità che è stata assorbita dal componente. Per questo scopo si utilizza un processo di essiccamento (bake) le cui modalità dipendono da: spessore, dimensione del package, livello MSL e sono descritte nella Tabella 4-1 della Norma IPC/J-STD-033B.1.Tenere presente che il ricondizionamento dei MSDs (bake) deve essere considerato sempre come l'ultima soluzione da perseguire. Le Tabella 4-1 definisce tre principali temperature a cui effettuare il bake: 40 °C, 90 °C e 125 °C. Il trattamento in forno ad alta temperatura (90-125 °C) può avvenire solo se i componenti sono contenuti in appositi vassoi resistenti alla temperatura. Il bake ad alta temperatura favorisce inoltre l'ossidazione dei terminali compromettendo di conseguenza la saldabilità.
Una corretta ed attenta gestione dei MSDs nel rispetto dei tempi di Floor Life acconsentiti, con uno stoccaggio, nella fase di “stop the clock”, entro armadi deumidificatori (Dry-Cabinet), può evitare di eseguire bake ad alta temperatura. Quando si rende indispensabile sottoporre i MSDs a bake, è suggeribile l'adozione di dry cabinet muniti della funzione di bake a 40 °C, con < 5% RH, in tal modo anche i componenti confezionati in nastro possono venir asciugati senza danneggiare i nastri e stressare i componenti, contenendo tra l'altro il processo di ossidazione dei terminali.
La registrazione degli eventi
Effettuare una tracciatura dell'umidità e della temperatura presente negli armadi deumidificatori (<5% RH) e nei punti chiave delle linee di produzione (Pick and Place o dovunque i componenti sono esposti ad umidità ambiente) è utile per valutare la Floor Life rimanente dei componenti MSDs e a tempo scaduto sottoporli a bake. Per far questo servono strumenti con funzioni di datalogger in grado di fornire lo storico dell'umidità/temperatura a cui i componenti MSDs presenti in reparto sono stati esposti.
Monitoraggio e rintracciabilità automatici
Alcune grosse aziende hanno sviluppato sistemi di controllo automatizzati che consentono ai costruttori di elettronica di gestire, rintracciare ed usare correttamente i propri componenti MSD. Questi sistemi utilizzano per la raccolta dati moderne tecnologie a radiofrequenza RFID: ogni vassoio o bobina viene seguita dal momento in cui è rimossa dall'imballo dry-pack fino al momento della saldatura.
In tempo reale si può conoscere la posizione fisica, la rimanente "Floor Life" dei componenti MSD, la situazione in magazzino, sulle linee di produzione, dentro i forni e gli armadi di stoccaggio. E' sicuramente un sistema costoso che però elimina la necessità di complicate registrazioni manuali, di una accurata formazione del personale, e soprattutto elimina gli errori associati al controllo manuale dell'umidità.
Circuiti stampati (Moisture Sensitive PCB)
I circuiti stampati sono molto igroscopici ed in funzione delle loro caratteristiche costruttive (tipo di laminati, numero di layers, quantità di fori, spessore, ecc), se non protetti, sono in grado di assorbire una quantità di umidità tale da comprometterne l'incolumità allorché sottoposti alle temperature dei processi di saldatura in particolare quella del reflow. I difetti che potrebbero conseguirne sono le delaminazioni esterne del solder mask “sbollatura” ed altre delaminazioni più insidiose, di non facile individuazione, quali la separazione ed interruzione dei piani interni.
Con l'avvento dei processi Pb Free sono stati messi a punto laminati che oltre ad essere RoHS compliant sono in grado di performare meglio (CTE-xyz,Tg,Td,T288, ecc.) quando sottoposti alle maggiori temperature di reflow. Buona parte di questi laminati sono però più igroscopici rispetto ai laminati standard; ciò significa che per prevenirne l'assorbimento diventa importante controllare il tempo di stoccaggio (shelf life), curare il tipo di imballo, mantenere l'ambiente controllato in particolare l'umidità che deve essere bassa.
L'esperienza acquisita in questi ultimi anni di saldatura Pb Free ha evidenziato quanto il problema della delaminazione esterna “sbollatura” o interna è stato vissuto un po da tutti gli assemblatori, cosi pure notevoli sono stati i danni anche economici che gli stessi hanno subito a causa dei suddetti problemi. Imballi tipo Dry-Pack, procedure di asciugatura (Bake) dei PCB prima di processarli stanno diventando oramai una prassi indispensabile per evitare i suddetti difetti , specialmente per quei PCB destinati a stare sullo scaffale per un lungo tempo, ben oltre a quello garantito dagli stessi costruttori di PCB. Lo stoccaggio dei PCB in dry room o dry box con una RH <= 10% è un'altra pratica adottata da diversi assemblatori EMS. Proprio per venire incontro alle richieste dell'industria dell'assemblaggio elettronico, e poter far fronte alle problematiche inerenti alla gestione, imballo, stoccaggio, uso e bake dei PCB, l'Associazione IPC sta lavorando una Standard la IPC-1601 che probabilmente verrà approvata e messa a disposizione entro la metà del 2010.
Esistono comunque già, norme quali la IPC/J-STD-001-HDBK che indicano procedure e parametri per l'esecuzione dei cicli di bake mediante forni a circolazione di aria calda.
Un'altra importante pratica per prevenire difetti causati dalla moisture intrappolata nelle schede (PBA) soggette a rilavorazioni (Rework) è quella di eseguire, mediante forno ad aria calda, un appropriato ciclo di bake a tali schede prima di sottoporle a RWK., come del resto previsto da IPC/J-STD-033 e IPC-7711.
