Um die besten Ergebnisse bei elektronischen Produkten zu erzielen, ist es entscheidend, die Qualität von Leiterplatten (PCBs) zu erhalten, während auf die Ablöt- und Montageprozesse gewartet wird. In diesem Blogbeitrag erläutern wir, wie Sie mit der richtigen Verpackung die Lagerhaltung und Qualität von Leiterplatten erhalten können.
Die Oberflächenbeschaffenheit einer Leiterplatte soll die Benetzbarkeit gewährleisten und das darunter liegende Kupfer vor Oxidation schützen. Die Oberflächenbeschaffenheit selbst muss jedoch auch vor Beschädigungen, Oxidation, Verschmutzung und hohen Temperaturen geschützt werden. Darüber hinaus müssen die Basismaterialien der Leiterplatten geschützt werden, insbesondere vor Feuchtigkeit. Während des Lötprozesses werden Leiterplatten hohen Temperaturen ausgesetzt, die zu offensichtlichen oder latenten Defekten führen können, einschließlich der gefürchteten Delamination, die die Leistung erheblich beeinträchtigen bzw. zum Ausfall führen kann. Die richtige Verpackung in Verbindung mit kontrollierten Umgebungsbedingungen schützt die Leiterplatte während ihrer gesamten Haltbarkeitsdauer (Lagerfähigkeit der verschiedenen Endoberflächen) vor Verschlechterung und gewährleistet das bestmögliche Ergebnis im Bestückungs- und Ablötprozess.
Die Rolle der Luftfeuchtigkeit
Feuchtigkeit ist zweifellos ein Feind von Leiterplatten. Um die Bedeutung der Leiterplatten-Verpackung besser zu verstehen, müssen wir tiefer in das Thema eintauchen. Basismaterialien zeigen ein hygroskopisches Verhalten, was bedeutet, dass sie Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen können. Daher ist es unerlässlich, Laminate mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme zu verwenden. Flex- und Starrflex-Leiterplatten sind besonders anfällig für dieses Phänomen, da die Feuchtigkeitsaufnahme von Flex-Materialien mit einem Gewichtsprozentsatz von bis zu 20-mal höher sein kann als bei Standard-FR4. Wenn Sie mehr über Materialien erfahren möchten, können Sie jederzeit mit unseren Technikern sprechen.
Das Hauptproblem im Zusammenhang mit der Feuchtigkeitsaufnahme in Leiterplatten-Basismaterialien ist die Ausdehnung der Feuchtigkeit aufgrund der hohen Temperaturen im Ablötprozess. Dies kann zu Delamination, Trennung der metallisierten Bohrungen, Trennung der Innenschicht und Lötstopplackdefekten führen. Darüber hinaus beschleunigt Feuchtigkeit die Verschlechterung der Endoberfläche.
In der Herstellung durchläuft die Leiterplatte viele Nass-Chemische-Prozessschritte, daher ist es wichtig, die Restfeuchte am Ende des Leiterplattenherstellungsprozesses niedrig zu halten. Die Mitarbeiter von NCAB überwachen kontinuierlich die Produktionsprozesse, um eine akzeptable Luftfeuchtigkeit zu gewährleisten. Die Norm IPC-1602, die sich mit der Handhabung und Lagerung von Leiterplatten befasst, empfiehlt, den Feuchtigkeitsgehalt vor dem Verpacken unter 0,1 % ihrer Masse zu halten, wenn der Prozess, für den sie bestimmt sind, bleifrei ist. Die Vakuumverpackung mindert, dass Leiterplatten Feuchtigkeit enthalten, und schafft so auch eine ausreichende Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit während des Transports und der Lagerung. Auch in diesem Fall ist NCAB aktiv bei der Validierung der Verpackung durch den Lieferanten. All dies muss jedoch durch die Lagerbedingungen der Kunden unterstützt werden: Aufrechterhaltung der relativen Luftfeuchtigkeit unter 60 % und der Temperatur unter 25 °C.
Verpackung und WVTR
Die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR oder Wasserdampfdurchlässigkeitsrate) wird in Gramm Wasserdampf gemessen, der innerhalb von 24 Stunden bei einer Temperatur von 40 °C durch eine Einheitsoberfläche strömt. Um diese Feuchtigkeitsübertragung zu minimieren, definiert NCAB Materialien, Dicken und Verpackungsmethoden. In einigen Fällen, z. B. bei hochempfindlichen PCBs oder wenn lange Lagerzeiten erforderlich sind, kann es ratsam sein, sogenannte „Moisture Barrier Bags“ (MBBs) zu verwenden. Dabei handelt es sich um Verpackungsmaterial, die eine Aluminiumschicht enthalten, um die Übertragung von Feuchtigkeit weiter zu reduzieren. MBB muss gemäß IPC-1602 und J-STD-033 in 24 Stunden eine WVTR von weniger als 0,031 g/m2 aufweisen. NCAB stellt sicher, dass immer dann, wenn die Verwendung von MBBs mit den Kunden vereinbart wird, die Produkte dieser Norm und den entsprechenden Prüfmethoden entsprechen.
Feuchtigkeitsindikatoren und Trockenmittelmaterialien
Feuchtigkeitsindikatoren und Trockenmittel können der Verpackung hinzugefügt werden, sind jedoch nur auf Kundenwunsch enthalten. Feuchtigkeitsindikatorkarten (HIC – Humidity Indicator Cards) sind kleine Karten mit Indikatorfeldern, die mit chemischen Verbindungen vorimprägniert sind und ihre Farbe ändern, wenn bestimmte Schwellenwerte für die relative Luftfeuchtigkeit überschreiten werden. Ihre Farbveränderung ist nicht gleichbedeutend mit einem Defekt; Vielmehr gibt sie Auskunft über die maximale Luftfeuchtigkeit, die in der Verpackung mit den Leiterplatten erreicht wird. Diese Informationen können helfen festzustellen, ob das sogenannte „Backen“ notwendig ist – ein Thema, das wir weiter unten angehen werden.
Die Trockenmittel absorbieren die Feuchtigkeit, die während des Transports und/oder der Lagerung bei der Leiterplatte in die Verpackung eindringt, und tragen so dazu bei, dem Anstieg der Feuchtigkeit in der Verpackungseinheit entgegenzuwirken. Wenn Indikatoren und Trockenmittel gefordert werden, müssen diese als schwefelfrei zertifiziert sein, um die Freisetzung von korrosiven Verbindungen wie Schwefelwasserstoff oder Schwefeldioxid zu verhindern. In solchen Fällen legt die NCAB die Produktanforderungen fest und definiert die Methoden für die Einarbeitung dieser Anforderungen an die Verpackung und das Handling.
Backen von Leiterplatten (PCB Baking)
Wenn die Indikatoren eine kritische Luftfeuchtigkeit anzeigen, ist es immer noch möglich, die Verwendung von Leiterplatten durch das Verfahren des Backens (Baking), auch „Tempern“ genannt, zu bewerten. Bei Flex- und Starrflex-Leiterplatten, die ein höheres hygroskopisches Verhalten aufweisen, sollte immer ein Backen durchgeführt werden.
Beim Tempern werden die Leiterplatten 2 bis 6 Stunden lang Temperaturen zwischen 105 und 125 °C ausgesetzt, um dem Basismaterial Feuchtigkeit zu entziehen. Nach dem Backen sollten die Leiterplatten so schnell wie möglich, idealerweise innerhalb von 24 Stunden, bestückt und abgelötet werden. Für weitere Details zu den Methoden und Parametern des Backens können Sie hier die NCAB-Empfehlungen für starre Leiterplatten herunterladen.
Die Wahl der Backparameter hängt auch von der Ausführung ab. Große Kupferflächen können zum Beispiel das Entweichen von Feuchtigkeit verhindern, was möglicherweise zusätzliche Zeit im Ofen erfordert. Die Kupferendstärken bzw. Packungsdichten oder auch die Leiterplattendicke sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Ein komplexes Verfahren
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Backen die Benetzbarkeit der Oberflächenbeschaffenheit aufgrund von Oxidation und dem beschleunigten Wachstum von intermetallischen Verbindungen (IMC) verringern kann, die beide durch Hitze verstärkt werden. Das macht das Backen zu einem komplexen Verfahren. Im Allgemeinen ist es am besten, das Backen zu vermeiden, indem Sie die richtigen Lagerungspraktiken anwenden und Moisture Barrier Bag (MBB)-Verpackungen verwenden.
Wenn das Backen weiterhin erforderlich ist, wird die Annahme konservativer Parameter sowie die Verwendung eines Vakuum- oder Stickstoffofens empfohlen, der von Verunreinigungen gereinigt werden muss. Die folgende Tabelle zeigt, wie verschiedene Oberflächenveredelungen auf das Tempern reagieren, und enthält wichtige Informationen zur Vermeidung von Lötbarkeitsproblemen.
| HASL | Eine Dicke unter 0,77 μm kann zu einer vollständigen IMC führen. |
| OSP | Stickstoffofen, Sauerstoff < 100 ppm, 105°C für 1h. Bei kritischerem Zustand ist eine erneute OSP-Abscheidung erforderlich. |
| ISn | IMC-Wachstum kann die Lötbarkeit beeinträchtigen, vor allem am Ende der Haltbarkeit. |
| IAg | Schwefel oder Chlor verursachen ein Anlaufen (sichtbar bei 5 nm Dicke, beeinträchtigt die Lötbarkeit ab 50 nm). |
| ENIG/ENEPIG | Sauerstoff kann die Goldschicht passieren und die Nickelschicht oxidieren. Stickstoffofen, Sauerstoff < 100 ppm. |
In diesem Blogbeitrag haben wir erklärt, wie die Leiterplatten-Verpackung nicht nur vor physischen Schäden und Verunreinigungen schützt, sondern auch als kritische Barriere gegen Feuchtigkeit wirkt. Es ist wichtig zu beachten, dass wir zwar einen allgemeinen Ansatz verfolgen, jede NCAB-Region jedoch spezifische Anforderungen haben kann. Für weitere Informationen zu den Themen Verpackung oder Lagerung von Waren können Sie sich daher an Ihren lokalen NCAB-Ansprechpartner wenden. Wir unterstützen Sie gerne.