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 Component failures due to popcorning may happen months or even years after processing.

Popcorning Ablösungen der Verbindung durch Schichtspaltung und Bildung einer Dampfblase sind die unmittelbare Folge Dies ist in den meisten Fällen nicht ersichtlich Component failures due to popcorning may happen months or even years after processing.

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. Component failures due to popcorning may happen months or even years after processing.

Popcorning Component failures due to popcorning may happen months or even years after processing.

Popcorning Beispiel 1 BGA Baustein, mit sichtbarem Spalt zwischen Glasfaserträger and Kunststoffeinbettung

Popcorning Beispiel 2 QFP Baustein, mit Riss an der Oberfläche der Kunststoffeinbettung SEM (scanning electron microscope) photograph.

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

SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux Lötbarkeit SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux The average wetting time to zero is around 0.51 seconds.

SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100°C Lötbarkeit SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100°C After baking the average wetting time has increased to around 0.77 seconds, an increase of about 50%.

Lötbarkeit SOIC 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 Here we can see the two graphs superimposed. The increase in wetting times and susequent reduction in solderability can be cleary seen.

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 Trockenlagerung MBB (feuchtigkeitssperrende Verpackung ) Stickstofflagerschrank Trockenluftkabine Trockenlagerschrank A quick summary of what is currently being used to desiccate components. Dry Air Boxes Hot air generated and delivered to the cabinet in an effort to evaporate moisture.

Pro u. Kontra von MBB Pro Kontra Niedrige Einführungskosten, geringe Investition Kontra Gefahr unverschlossener oder beschädigter Verpackungen Mit Feuchtigkeit gesättigtes Silica Gel Trocknungsmittel Falsche Lagerung des Silica Gel Trocknungsmittels Arbeitsintensiv Well known problems with this ‘system’ Indicator cards are not standardized Very loose system

Pro u. Kontra von Stickstoffbehältern Stickstoff ist leicht erhältlich Allgemein bekannt Kontra Selten richtig Gewartet Kaum auf Effektivität geprüft Hohe Betriebskosten Installation erforderlich nicht überall verfügbar / realisierbar Sehr teueres, reines Stickstoff wird benötigt!! Zum trocknen ungeeignet Pros; N2 is often available as a result of other operations (clean room, reflow, etc) N2 Cabinets Familiar – N2 cabinets are well publicized and commonly available in the factory (at least for trials) Cons: Doors no longer meet Not monitored, N2 quality often unknown Can only purge as low as the RH levels of the N2 N2 repels moisture, desiccant attracts. Concerns for extensive release of N2 Costly to run Power Disruption Desiccant cabinets hold for 10-20 days Transportable – Can be relocated

Kostenvergleich mit N² · Annahmen N² Kosten ~ 0.19 € / m³ Stromkosten ~ 0.06 € / KWh mittlerer N² Verbrauch ~ 25 L / min Anschaffungskosten Totech ~ 7 600.00 € · laufende Kosten eines N² Lagerschrankes Verbrauch: 25 L / min oder 1 080 000 L / Monat oder 1080 m³ / Monat Kosten: 205,20 € / Monat, 2462.40 € / Jahr · laufende Kosten eines Totech Lagerschrankes Verbrauch: 0.056 kW / h oder 40.32 kW / Monat Kosten: 2.42 € / Monat, 29.09 € / Jahr Kosteneinsparung 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 Here we see a typical high specification bench mounted drying cabinet.

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 Trocknet ohne Temperatureinwirkung Schneller Trocknungsprozess Keine Wartung Elektronisch überwachte Feuchteregelung Niedrige Energiekosten Luftdicht Beweglich auf lenkbaren Rollen Kontra Hohe Anschaffungskosten Pros; Very passive devices, requiring zero maintenance. Constantly monitored, with various data logging and alarm possibilities. Very low cost operation, only the cost of electricity. Appx $ 200.00 USD/yr Air Tight, can be moved/relocated. Will remain below 10% for up to 20 days. Cons: Cost can vary between 4000 for smaller to 22,000 for larger ‘dressed’ models. Always take into consideration cost of transport and importation.

Empfehlung der Trocknungszeiten Bei gleicher Temperatur entspricht die Trocknungszeit der IPC empfohlenen Verarbeitunszeit. HSD-Serie SDE-Serie

Akzeptanz des Trockenlagerschranks 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) Some additional facts

Trockenlagerschrankversorgung 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 CSP, BGA, QFP etc Printed Circuit Boards Wafers Ceramics Crystal Resonator Optical Fiber, CCD etc (LCG) Liquid Crystal Glass Some of the applications within the electronics industry. Application we are most familiar with, storage of MSD (Components) Printed Circuit Boards – Both bare boards, and ½ populated before second side. Wafers, both basic storage after production, and ultra low humidity environment for process (application of coatings and layers) Allegro - May involve filtration systems (hepa, etc….) Ceramics – Preserve materials, extend shelf life Crystal Resonators – Prevents internal degradation due to moisture contamination. Optical components / Fiber Optic – prevent possible degradation due to fungal growth on optical surfaces. LCG – Protect panels from moisture contamination prior to installation and sealing.

IPC/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. Some parts will require baking even after as short as 2 hours exposed to 10%. If cabinets fail for ANY time, it could be disasterous. From the SPEC Body Thickness ³3.1 mm including PQFPs >84 pins, PLCCs (square) All MQFPs or All BGAs ³1 mm Level 5a – Hrs exposure Level 5 – 4 Hrs Level 4 – 7 Hrs ALL at 30 Deg c Will be worse with lead free (increased temps)

IPC/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. Will be worse with lead free (increased temps) More than a 3 fold increase in saturated vapor pressure inside the component with an increase in reflow from 180 C to 240 C.

Funktionsweise des Trockenlagerschranks

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 Ventil außen (Wasserdampfaustritt in der Recyclingphase) Trockenmittel Zeolith Lüfter Ventil außen Ventil innen

Zeolith Synthetisch produzierter Zeolith A 47% offene Fläche Hohes Maß an Absorption bei niedrigem RH Wert Hervorragende Regenerationseigenschaften Appetite for water is virtually inexhaustible

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)

Grundvoraussetzungen 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 verschiedener Typen

Wiederherstellungszeiten minimieren 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) GRAPH – Cabinet had doors opened once every 20 mins or 30 seconds. Cabinet rated at 3%. COMPETITIVE MODEL

Schrankgröße 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 Cabinets should only be as large as required – Cabinets will sit at a low RH EMPTY then climb as new saturated goods are placed within.

Option: Datenlogger Funktion 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 190 mm 460 mm

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

Zusammenfassung 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 SUMMARY

Vielen Dank