La sensibilità dei componenti all'umidità (effetto popcorn)

**digitalhack** · 07-06-14

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Tutti i circuiti integrati tendono ad assorbire umidità dall’ambiente perché il molding epossidico che li racchiude è igroscopico. Il problema che ne consegue si manifesta sovente in saldatura, causando delaminazioni e rotture del corpo plastico.

L'aumentato utilizzo di componenti sensibili alla temperatura (MSD components) come i dispositivi fine-pitch e i BGA pone delle preoccupazioni in relazione ai meccanismi di un'eventuale rottura. Quando questi dispositivi sono sottoposti alle elevate temperature tipiche dei profili di rifusione, l'umidità intrappolata all'interno del corpo plastico dei dispositivi SMD vaporizza provocando una pressione capace di danneggiare o distruggere il componente. Normalmente si produce una delaminazione (separazione) del molding dal die o dal lead-frame, una rottura a livello di wire bond o un danneggiamento del die, con criccature interne che non raggiungono la superficie esterna e quando lo fanno ha luogo il fenomeno chiamato effetto popcorn o popcorning.
Nella normativa IPC/JEDEC J-STD-033B sono riportate le principali precauzioni da adottare durante l'handling di questi componenti, del loro confezionamento, spedizione e naturalmente utilizzo in produzione.
È stata creata una classificazione a otto livelli in base ai quali i componenti possono essere lasciati esposti all'ambiente:
• Livello 1: tempo di esposizione illimitato a una temperatura massima di 30 °C e massima umidità relativa 85%;
• Livello 2: un anno di esposizione a una temperatura massima di 30 °C e massima umidità relativa 60%;
• Livello 2a: quattro settimane di esposizione a una temperatura massima di 30 °C e massima umidità relativa 60%
• Livello 3: 168 ore di esposizione a una temperatura massima di 30 °C e massima umidità relativa 60%;
• Livello 4: 72 ore di esposizione a una temperatura massima di 30 °C e massima umidità relativa 60%
• Livello 5: 48 ore di esposizione a una temperatura massima di 30°C e massima umidità relativa 60%
• Livello 5a: 24 ore di esposizione a una temperatura massima di 30°C e massima umidità relativa 60%
• Livello 6: è necessario eseguire l'operazione di bake prima di utilizzare il componente, che deve essere saldato entro il tempo limite riportato nelle sue specifiche.
La normativa cui si fa riferimento riporta anche, in base al livello di appartenenza e allo spessore del corpo del componente (da 1,4 a 4,5 mm), il tempo di esecuzione del bake, che deve avvenire in un forno (capace di espellere l'umidità all'esterno) con umidità relativa inferiore a 5%, a temperatura che varia da 125 °C a 40 °C con tempi variabili da qualche ora a diversi giorni.
Il baking è utilizzato come ultima risorsa, dopo che c'è stata un'eccessiva esposizione all'umidità ambientale. L'enfasi maggiore è posta sulle procedure di confezionamento, così da prevenire quanto più possibile l'assorbimento dell'umidità.
I componenti MSD vanno racchiusi in buste barriera contenenti confezioni di sali essicanti; secondo le norme è richiesto che sia inserito anche un indicatore di umidità e sulla confezione sia apposta un'etichetta su cui siano riportate le informazioni inerenti la shelf life (tempo utile di utilizzo quando conservato agli specificati livelli di temperatura e umidità, deve essere come minimo 12 mesi), 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.

Baking, ma con cautela
L'operazione di baking non si può proprio definire semplicissima, viene eseguito un pre-baking alla fonte per preparare il componente prima del confezionamento e della spedizione all'utilizzatore finale e un post-baking utilizzato in produzione per ricondizionare il componente dopo che è stata aperta la confezione originale o è scaduto il tempo utile di utilizzo.
Essendo un'operazione termica, il baking può diminuire la saldabilità dei terminali accelerandone il naturale processo di ossidazione o causando un'eccessiva crescita dell'intermetallico.
Sicuramente da non fare è immagazzinare i componenti in un forno alla temperatura di baking.

Dry storage
Gli armadi deumidificanti sono utilizzati sia per l'immagazzinamento a breve che a lungo termine dei componenti elettronici sensibili all'umidità. Ci sono due famiglie di armadi, quelli che lavorano in atmosfera inerte e quelli che utilizzano un setaccio molecolare sintetico, le zeoliti.
Le zeoliti (un silicato di alluminio), dall'apparenza di piccole perline dal colore rosa opaco, sono un potente setaccio molecolare, molto porose; al loro interno ci sono numerose cavità collegate da aperture il cui diametro è di pochi angstrom. Sono di preferenza assorbite le molecole che possiedono polarità, come lo sono le molecole di acqua presenti nell'ambiente, polari e di piccole dimensioni; infatti il termine di setaccio molecolare deriva dal fatto che le molecole maggiori della dimensione delle aperture vengono naturalmente escluse.
Tra le loro caratteristiche:
• alto grado di assorbimento anche con bassi valori di umidità relativa;
• l'assorbimento avviene a diversi gradi di temperatura;
• assorbono a una velocità maggiore del silica gel;
• mantengono inalterata la loro dimensione e geometria anche a saturazione avvenuta;
• praticamente non generano sporcizia;
• non sono tossiche e sono chimicamente inerti;
• posseggono un'eccellente abilità nel rigenerarsi.
A beneficiare dei vantaggi che l'utilizzo di questi armadi comporta (in ambedue i principali vantaggi sono la prevenzione dell'assorbimento di umidità e dall'ossidazione metallica) sono le bare board, i componenti il cui case (o package) è igroscopico e le schede parzialmente assemblate in attesa di completamento.
I dry cabinet non sono propriamente un'alternativa al baking, anche se c'è una certa sovrapposizione funzionale. Da alcuni l'utilizzo degli armadi dry è proposto come una soluzione pro-attiva, un moisture management system teso a prevenire piuttosto che un baking utilizzato per rimediare.
Creare un ambiente inertizzato (immettendo azoto nell'armadio) è di sicuro più costoso che non utilizzando le zeoliti come agente essicante. Immettendo azoto si crea una pressione leggermente superiore rispetto all'esterno e all'apertura della porta evita l'ingresso di aria dall'ambiente; l'azoto crea sicuramente un'atmosfera secca e priva di contaminanti, ma il suo utilizzo comincia ad avere un senso se è già presente in produzione per il processo di saldatura.
Le zeoliti sono minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa (con cavità a tunnel o a gabbia) dove rimangono intrappolate le molecole d'acqua che sono catturate dall'umidità ambientale. Esistono numerosissimi tipi di zeoliti, sia naturali che sintetiche, queste ultime utilizzate appunto nell'industria elettronica. Essendo le zeoliti rigenerabili, gli armadi sono costruiti in modo che ci sia sempre una quantità attiva nell'area di stoccaggio, mentre una parte è sottoposta a un flusso di calore per asportare le molecole d'acqua intrappolate al suo interno. In questo modo si riesce a mantenere nella camera dell'armadio una umidità relativa che varia da 1% a 3%, con tempi di recupero (in caso di apertura della porta) estremamente rapidi.
Questi cabinet possono assolvere anche un altro compito, quello di magazzini a lungo termine per componenti strategici o obsoleti. I ricambi devono essere disponibili per l'intero ciclo di vita del prodotto finale, e il periodo potrebbe essere molto lungo come nel caso dei settori automotive, militare e aerospaziale.

I termini delle soluzioni al problema dei MSD
DESICCANT: l'agente essicante deve essere pulito e non corrosivo, 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, etc) senza che siano stati prima sottoposti a baking. L'inserimento di questi oggetti richiede che sia anche aumentata la quantità di materiale essicante al fine di raggiungere la shelf life.
FLOOR LIFE: con questo termine 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).
HIC (Humidity Indicator Card): sono indicatori di umidità che hanno come minimo tre zone impregnate di una sostanza chimica che vira (dal blu al rosa) al raggiungimento rispettivamente di un'umidità relativa di 5%, 10% e 60%. Ovviamente devono essere conservati un un contenitore impermeabile all'umidità.
MBB (Moisture Barrier Bag): buste barriere, devono soddisfare i requisiti di flessibilità, protezione ESD, resistenza meccanica e alle forature (reofori dei componenti TH), devono poter essere sigillabili per termosaldatura, il valore MVTR deve essere quanto più basso possibile.
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 tds 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 essicante necessaria al suo interno.
SHELF LIFE è il tempo minimo di conservazione di un dispositivo MSD all'interno di una busta barriera (a un predefinito e costante valore di umidità).

Dario Gozzi