¿Qué es el horneado de PCB?
El horneado de placas de circuito impreso (PCB) es el pretratamiento para secar las placas de circuito impreso y los componentes sensibles a la humedad antes del ensamblaje de PCB, de modo que no quede humedad dentro o en la superficie de la PCB. Tras el proceso de horneado de PCB, se evitarán defectos de soldadura como el “popcorning” de circuitos integrados en el proceso de ensamblaje de placas de circuito impreso (PCBA).
¿Por qué las PCBs almacenadas durante mucho tiempo deben hornearse antes de SMT?
El propósito principal del horneado de PCB es eliminar la humedad contenida en la PCB porque algunos materiales utilizados en la PCB absorben fácilmente agua del entorno externo. Además, cuando la PCB se almacena durante un largo período, existen oportunidades para absorber humedad del ambiente, y la “humedad” es uno de los principales culpables que causan el “popcorn” o la delaminación de la PCB. La “humedad” también es un cómplice para promover la oxidación.
Porque cuando la PCB se coloca en un entorno donde la temperatura supera los 100°C, como un horno de reflujo, horno de soldadura por ola, retrabajo de aire caliente o soldadura manual, etc., la “humedad” se convertirá en vapor de agua y luego expandirá rápidamente su volumen. Cuanto más rápido sea el calentamiento de la PCB, más rápido se expandirá el vapor de agua. Cuando la temperatura es más alta, el volumen del vapor de agua aumenta. Cuando el vapor de agua no puede escapar de la capa interna de la PCB inmediatamente después de formarse, tiene una buena posibilidad de expandir la PCB, especialmente en la dirección Z (dirección vertical) de la PCB, que es la más vulnerable porque la PCB se superpone capa por capa. A veces, los orificios entre las capas de la PCB pueden desprenderse, y a veces puede causar la separación entre capas de la PCB. Más seriamente, incluso la apariencia de la PCB puede mostrar ampollas, abultamientos, grietas y otros fenómenos. A veces, incluso si el fenómeno anterior no es visible en la superficie de la PCB, ha sido dañada internamente. Causará funciones inestables de los productos eléctricos o problemas como CAF (cortocircuito micro), lo que eventualmente llevará a la falla del producto.
Seguimos el siguiente procedimiento para el proceso de horneado:
Ponemos las placas separadas entre sí en el horno usando estantes para evitar apilar y en posición vertical
Para placas de PCB Rígido-Flex, el tiempo de horneado depende del grosor de la PCB y la sustancia de las PCBs
1. PCBs con grosor de hasta 1.0mm se mantienen en el horno un mínimo de 2 horas a 120°C
2. PCBs con grosor de hasta 1.8mm se mantienen en el horno un mínimo de 4 horas a 120°C
3. PCBs con grosor de hasta 4.0mm se mantienen en el horno un mínimo de 6 horas a 120°C
4. PCBs hechas de poliimida/Thermount, todas las PCBs de cualquier grosor se mantienen en el horno un mínimo de 6 horas a 135°C
El proceso para PCB Rígido para diferentes acabados superficiales
Para HASL, HASL sin plomo y ENIG
1. Todas las PCBs de cualquier grosor se mantienen en el horno un mínimo de 2 horas a 120°C
El tiempo de espera entre el horneado y la soldadura depende de las condiciones de almacenamiento. A 50% de humedad relativa, el tiempo de espera sugerido es un máximo de 8 horas. Si las placas se mantienen en el horno a 35°C, el tiempo de espera puede ser más largo que el tiempo habitual.
¿Todos los componentes necesitan ser horneados?
El estándar de la industria más común (J-STD-033) que regula los procedimientos de manejo y procesos para dispositivos sensibles a la humedad (MSDs) puede ser difícil de entender. Como resultado, a menudo se implementan procedimientos que tienden a pecar de conservadores, y los fabricantes a menudo asumen que es mejor prevenir que lamentar. Una de las formas más fáciles de estar “seguro” en lugar de “lamentar” es hornear todos los MSDs.
Tradicionalmente, el horneado se ha considerado una solución para múltiples problemas de soldadura. Sin embargo, en varias situaciones, esto simplemente no es el caso. Muchos procesos térmicos son necesarios (curado, evaporación de solventes, etc.) en el proceso de fabricación de componentes. La mayoría de los componentes no deberían requerir horneado adicional entre el momento en que se retiran de la bolsa de barrera de humedad del fabricante (MBB) y cuando se sueldan. Solo hay dos razones para requerir el horneado de MSDs después de retirarlos de la MBB:
1. El MSD tiene un nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) de 6. Este es el componente de especificación MSL más alto (peor) hasta la fecha, y J-STD-033 (en la Tabla 5-1) establece que el horneado es obligatorio y estos componentes deben soldarse dentro del límite de tiempo especificado en la etiqueta del fabricante. Para estos dispositivos, el horneado es imprescindible. Sin embargo, aplicar este proceso a todos los MSDs solo para estar seguro es exagerado, ya que solo se aplica a componentes MSL 6.
2. El MSD ha excedido su vida útil en el piso. Esto puede suceder por muchas razones, pero a menudo es el resultado de situaciones evitables:
I. Se requiere la compra de carretes completos de MSDs, y quedan partes sobrantes.
II. Una desaceleración en la producción o trabajos urgentes hace que los MSDs permanezcan en el piso más tiempo del planeado.
III. Los procedimientos de manejo para MSDs no se siguen o se olvidan.
IV. La MBB está rota o dañada y/o la tarjeta indicadora de humedad (HIC) dentro de la MBB indica sobreexposición a la humedad.
V. Los MSDs pueden haber sido recibidos en una condición desconocida del proveedor o cliente.
Con procedimientos de manejo bien ejecutados y calidad, un gabinete de atmósfera seca que mantenga niveles de humedad relativa (RH) al 5% o menos y no más de 30˚C, la mayoría de estas situaciones son evitables.
Si las razones para hornear MSDs no son una de las dos razones anteriores, la decisión de hornear debe ser analizada. ¿Es necesario o solo se está implementando para estar seguro en lugar de lamentar? Excepto por las dos razones mencionadas anteriormente o un requisito específico del cliente, el horneado debe evitarse siempre que sea posible. El horneado innecesario desperdicia tiempo, dinero y energía y solo sirve para reducir la confiabilidad y calidad de los MSDs. Aquí hay algunas razones por las que el horneado debe evitarse:
I. El horneado de MSDs puede dañar permanentemente la cinta plástica y los carretes, portadores, cinta portadora, tubos y bandejas utilizadas para dispensar los componentes. El daño puede ocurrir a temperaturas tan bajas como 45°C (113°F), lo que hace imposible que las máquinas de colocación procesen estas partes.
II. El horneado exacerba la oxidación en las terminaciones de soldadura de los MSDs, una de las mayores causas de mala calidad de soldadura.
III. El horneado lleva mucho tiempo: hasta 79 días para componentes algo gruesos (2 a 4.5mm) a la temperatura baja segura del paquete de 40°C (104°F) a tan solo 3 horas a una temperatura de fusión del paquete de 125°C (257°F) para MSDs con MSL 2, con el tiempo de exposición pasado la vida útil en el piso menos de 72 horas. Cuanto más alta sea la temperatura, más corto será el tiempo de horneado, a menos que los componentes puedan ser desempaquetados, horneados a una temperatura muy alta y luego reempaquetados a una temperatura más segura de 40°C (104°F). A esta temperatura más segura, los tiempos de horneado comienzan en cinco días y pueden llegar hasta 79 días.
IV. El horneado consume al menos 20 veces la energía que simplemente mantener las partes secas. Y, dado que la mayoría de los MSDs no requieren horneado a menos que sean MSL 6 o la vida útil en el piso se haya excedido por error, sería más confiable y económico mantener las partes secas en lugar de hornearlas.
En pocas palabras, mantener los MSDs secos es más fácil y efectivo que hornearlos. Los gabinetes de atmósfera seca que mantienen niveles de RH de menos o igual al 5% cumplen con los requisitos del estándar para detener el reloj de vida útil en el piso cuando los MSDs no pueden ser soldados antes de que expire la vida útil en el piso.
Además, mantener los MSDs en almacenamiento seco requiere 1/20 o menos de la energía (eléctrica) requerida para hornear, no tiene tiempo de horneado y no ofrece riesgo para la soldabilidad o el embalaje del componente.
Los ensambladores deberían considerar usar hornos de horneado para MSDs extremadamente sensibles MSL 6 o recuperarse de la situación evitable de exceder la vida útil en el piso de un componente. De lo contrario, podrían apagar las salas de stock calentadas, gabinetes de horneado y cámaras y almacenar todos los MSDs en gabinetes de atmósfera seca, no caliente, sin infringir el estándar ni disminuir la integridad de los paquetes de componentes.
Referencias
1. IPC/JDEC J-STD-033C, Manejo, Embalaje, Envío y Uso de Dispositivos Sensibles a la Humedad/Reflujo de Montaje Superficial, Sección 1, Prólogo, Enero 2007.
2. IPC/JDEC J-STD-033C, Tabla 5-1, Enero 2007.
3. IPC/JDEC J-STD-033C, Sección 5.2, Enero 2007.
4. IPC/JDEC J-STD-033C, Sección 4.2.7.1, Enero 2007.
5. Ray Prasad, “Horneado y Embolsado de PCBs para Ensamblajes Sin Plomo,”
6. Intel, “Sensibilidad a la Humedad/Empaque Desecante/Manejo de PSMCs,” Manual de Empaque 2000, Sección 8.5.2, 2000.
7. Especificación eléctrica típica para gabinete de atmósfera seca desecante 15W promedio para secar, 600W para hornear.
8. IPC/JDEC J-STD-033C, 5.2 y Tabla 5-1, Enero 2007.
9. IPC/JDEC J-STD-033C, Tablas 4-1, 4-2, y 4-3, Enero 2007.
10. Especificación de temperatura de almacenamiento o horneado típica para bandejas de envío y materiales de cinta y carrete de componentes: 45°C.
