Was ist PCB-Backen?
Das Backen von Leiterplatten (PCB) ist die Vorbehandlung, um Leiterplatten und feuchtigkeitsempfindliche Komponenten vor der PCB-Montage zu trocknen, damit keine Feuchtigkeit im Inneren oder auf der Oberfläche der PCB verbleibt. Nach dem PCB-Backprozess werden Lötfehler wie IC-Popcorning im Leiterplattenmontageprozess (PCBA) vermieden.
Warum müssen lange gelagerte PCBs vor dem SMT gebacken werden?
Der Hauptzweck des PCB-Backens besteht darin, die in der PCB enthaltene Feuchtigkeit zu entfernen, da einige Materialien, die in der PCB verwendet werden, leicht Wasser aus der Umgebung aufnehmen. Darüber hinaus gibt es bei längerer Lagerung der PCB Gelegenheiten, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen, und „Feuchtigkeit“ ist einer der Hauptverursacher von PCB-Popcorn oder Delamination. „Feuchtigkeit“ fördert auch die Oxidation.
Wenn die PCB in eine Umgebung gebracht wird, in der die Temperatur 100°C übersteigt, wie z.B. ein Reflow-Ofen, Wellenlöt-Ofen, Heißluftnacharbeit oder Handlöten usw., wird „Feuchtigkeit“ zu Wasserdampf und dehnt dann schnell sein Volumen aus. Je schneller die PCB erhitzt wird, desto schneller dehnt sich der Wasserdampf aus. Bei höheren Temperaturen nimmt das Volumen des Wasserdampfs zu. Wenn der Wasserdampf nicht sofort aus der inneren Schicht der PCB entweichen kann, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass er die PCB ausdehnt, insbesondere in der Z-Richtung (vertikale Richtung) der PCB, da die PCB Schicht für Schicht überlagert ist. Manchmal können die Durchkontaktierungen zwischen den Schichten der PCB abgerissen werden, und manchmal kann es zu einer Trennung zwischen den Schichten der PCB kommen. Noch schlimmer ist, dass selbst das Aussehen der PCB Blasenbildung, Wölbung, Risse und andere Phänomene zeigen kann. Selbst wenn das oben genannte Phänomen nicht auf der Oberfläche der PCB sichtbar ist, kann sie intern beschädigt sein. Dies führt zu instabilen Funktionen von elektrischen Produkten oder Problemen wie CAF (Mikrokurzschluss), die letztendlich zum Ausfall des Produkts führen.
Wir folgen dem untenstehenden Verfahren für den Backprozess:
Wir legen die Platinen getrennt voneinander in den Ofen und verwenden Gestelle, um Stapel und vertikale Positionen zu vermeiden.
Für Rigid-Flex-PCB-Platinen hängt die Backzeit von der PCB-Dicke und dem Material der PCBs ab
1. PCBs mit einer Dicke von bis zu 1,0 mm werden mindestens 2 Stunden bei 120°C im Ofen gehalten.
2. PCBs mit einer Dicke von bis zu 1,8 mm werden mindestens 4 Stunden bei 120°C im Ofen gehalten.
3. PCBs mit einer Dicke von bis zu 4,0 mm werden mindestens 6 Stunden bei 120°C im Ofen gehalten.
4. PCBs aus Polyimid/Thermount, alle Dicken werden mindestens 6 Stunden bei 135°C im Ofen gehalten.
Der Prozess für Rigid-PCB mit verschiedenen Oberflächenveredelungen
Für HASL, bleifreies HASL und ENIG
1. Alle Dicken von PCBs werden mindestens 2 Stunden bei 120°C im Ofen gehalten.
Die Haltezeit zwischen Backen und Löten hängt von den Lagerbedingungen ab. Bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit beträgt die empfohlene Haltezeit maximal 8 Stunden. Wenn die Platinen bei 35°C im Ofen gehalten werden, kann die Haltezeit länger als die übliche Zeit genutzt werden.
Müssen alle Komponenten gebacken werden?
Der gebräuchlichste Industriestandard (J-STD-033), der die Handhabungsverfahren und Prozesse für feuchtigkeitsempfindliche Geräte (MSDs) regelt, kann schwer zu verstehen sein. Infolgedessen werden oft Verfahren implementiert, die dazu neigen, auf der konservativen Seite zu irren, und Hersteller gehen oft davon aus, dass Vorsicht besser ist als Nachsicht. Eine der einfachsten Möglichkeiten, „sicher“ statt „sorry“ zu sein, besteht darin, alle MSDs zu backen.
Traditionell wurde das Backen als Allheilmittel für mehrere Lötprobleme angesehen. In mehreren Situationen ist dies jedoch einfach nicht der Fall. Viele thermische Prozesse sind erforderlich (Aushärtung, Lösungsmittelverdampfung usw.) im Komponentenherstellungsprozess. Die meisten Komponenten sollten zwischen dem Zeitpunkt, an dem sie aus dem Feuchtigkeitsbarrierebeutel (MBB) des Herstellers entfernt werden, und dem Zeitpunkt, an dem sie gelötet werden, kein zusätzliches Backen erfordern. Es gibt nur zwei Gründe, MSDs nach dem Entfernen aus dem MBB zu backen:
1. Das MSD hat ein Feuchtigkeitsempfindlichkeitsniveau (MSL) von 6. Dies ist die höchste (schlechteste) MSL-Komponentenspezifikation bis heute, und J-STD-033 (in Tabelle 5-1) besagt, dass Backen obligatorisch ist und diese Komponenten dann innerhalb der auf dem Etikett des Herstellers angegebenen Frist gelötet werden müssen. Für diese Geräte ist das Backen ein Muss. Die Anwendung dieses Prozesses auf alle MSDs nur um sicher zu sein, ist jedoch übertrieben, da es nur für MSL 6-Komponenten gilt.
2. Das MSD hat seine Bodenlebensdauer überschritten. Dies kann aus vielen Gründen geschehen, ist jedoch oft das Ergebnis vermeidbarer Situationen:
I. Der Kauf von vollen Rollen von MSDs ist erforderlich, und Teile bleiben übrig.
II. Eine Verlangsamung der Produktion oder Eilaufträge führen dazu, dass MSDs länger als geplant auf dem Boden bleiben.
III. Handhabungsverfahren für MSDs werden nicht befolgt oder vergessen.
IV. Der MBB ist gebrochen oder beschädigt und/oder die Feuchtigkeitsanzeigekarte (HIC) im MBB zeigt eine Überbelichtung mit Feuchtigkeit an.
V. Die MSDs wurden möglicherweise in einem unbekannten Zustand vom Lieferanten oder Kunden erhalten.
Mit gut ausgeführten Handhabungsverfahren und Qualität, einem trockenen Atmosphärenschrank, der die relative Luftfeuchtigkeit (RH) bei 5% oder weniger und nicht mehr als 30˚C hält, sind die meisten dieser Situationen vermeidbar.
Wenn die Gründe für das Backen von MSDs nicht einer der beiden oben genannten Gründe sind, sollte die Entscheidung zum Backen analysiert werden. Ist es erforderlich oder wird es nur implementiert, um sicher zu sein, statt sorry? Abgesehen von den oben genannten zwei Gründen oder einer spezifischen Kundenanforderung sollte das Backen wann immer möglich vermieden werden. Unnötiges Backen verschwendet Zeit, Geld und Energie und dient nur dazu, die Zuverlässigkeit und Qualität von MSDs zu verringern. Hier sind einige Gründe, warum das Backen vermieden werden sollte:
I. Das Backen von MSDs kann die Kunststoffbänder und -rollen, Träger, Trägerbänder, Röhren und Tabletts, die zur Ausgabe der Komponenten verwendet werden, dauerhaft beschädigen. Schäden können bei Temperaturen von nur 45°C (113°F) auftreten, was es unmöglich macht, dass Bestückungsmaschinen diese Teile verarbeiten.
II. Das Backen verschärft die Oxidation an den Lötanschlüssen der MSD, eine der größten Ursachen für schlechte Lötqualität.
III. Das Backen dauert lange: bis zu 79 Tage für etwas dicke (2 bis 4,5 mm) Komponenten bei der sicheren niedrigen Temperatur des Pakets von 40°C (104°F) bis zu nur 3 Stunden bei einer Schmelztemperatur des Pakets von 125°C (257°F) für MSDs mit MSL 2, mit einer Expositionszeit, die die abgelaufene Bodenlebensdauer weniger als 72 Stunden überschreitet. Je höher die Temperatur, desto kürzer die Backzeit, es sei denn, die Komponenten können ausgepackt, bei sehr hoher Temperatur gebacken und dann bei einer sichereren Temperatur von 40°C (104°F) wieder verpackt werden. Bei dieser sichereren Temperatur beginnen die Backzeiten bei fünf Tagen und können bis zu 79 Tage betragen.
IV. Das Backen verbraucht mindestens 20-mal mehr Energie als das einfache Trockenhalten der Teile. Und da die meisten MSDs kein Backen erfordern, es sei denn, sie sind MSL 6 oder die Bodenlebensdauer wurde versehentlich überschritten, wäre es zuverlässiger und wirtschaftlicher, die Teile trocken zu halten, anstatt sie zu backen.
Einfach ausgedrückt, ist das Trockenhalten von MSDs einfacher und effektiver als das Backen. Trockene Atmosphärenschränke, die RH-Werte von weniger als oder gleich 5% aufrechterhalten, erfüllen die Anforderungen des Standards, um die Bodenlebensdauer zu stoppen, wenn MSDs nicht vor Ablauf der Bodenlebensdauer gelötet werden können.
Darüber hinaus erfordert die Aufbewahrung von MSDs in trockener Lagerung 1/20 oder weniger der Energie (elektrisch), die zum Backen erforderlich ist, hat keine Backzeit und bietet kein Risiko für die Lötbarkeit oder Verpackung der Komponente.
Assembler sollten in Betracht ziehen, Backöfen für extrem empfindliche MSL 6 MSDs zu verwenden oder sich von der vermeidbaren Situation zu erholen, die Bodenlebensdauer einer Komponente zu überschreiten. Andernfalls könnten sie die beheizten Lagerräume, Backschränke und Kammern abschalten und alle MSDs in trockenen – nicht heißen – Atmosphärenschränken lagern, ohne gegen den Standard zu verstoßen oder die Integrität der Komponentenverpackungen zu beeinträchtigen.
Referenzen
1. IPC/JDEC J-STD-033C, Handhabung, Verpackung, Versand und Verwendung von feuchtigkeits-/reflowempfindlichen Oberflächenmontagegeräten, Abschnitt 1, Vorwort, Januar 2007.
2. IPC/JDEC J-STD-033C, Tabelle 5-1, Januar 2007.
3. IPC/JDEC J-STD-033C, Abschnitt 5.2, Januar 2007.
4. IPC/JDEC J-STD-033C, Abschnitt 4.2.7.1, Januar 2007.
5. Ray Prasad, „Backen und Verpacken von PCBs für bleifreie Baugruppen,“
6. Intel, „Moisture Sensitivity/Desiccant Packaging/Handling of PSMCs,“ 2000 Packaging Handbook, Abschnitt 8.5.2, 2000.
7. Typische elektrische Spezifikation für Trockenmittel-Trockenatmosphärenschrank 15W durchschnittlich zum Trocknen, 600W zum Backen.
8. IPC/JDEC J-STD-033C, 5.2 und Tabelle 5-1, Januar 2007.
9. IPC/JDEC J-STD-033C, Tabellen 4-1, 4-2 und 4-3, Januar 2007.
10. Typische Lager- oder Backtemperaturspezifikation für Versandtabletts und Komponentenklebeband- und Rollenmaterialien: 45°C.
