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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

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Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD) Ein echtes Problem in der Produktion

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Presentation Transcript


Feuchtigkeitsempfindliche bauteile msd ein echtes problem in der produktion

  • Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile (MSD)

  • Ein echtes Problem in der Produktion


Hintergrund

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

Bleifrei und Popcorning

Quelle: Intel


Popcorning

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


Popcorning1

Popcorning

  • Ablösungen der Verbindung durch Schichtspaltung und Bildung einer Dampfblase sind die unmittelbare Folge

  • Dies ist in den meisten Fällen nicht ersichtlich


Popcorning2

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.


Popcorning3

Popcorning


Popcorning beispiel 1

Popcorning Beispiel 1

  • BGA Baustein, mit sichtbarem Spalt zwischen Glasfaserträger and Kunststoffeinbettung


Popcorning beispiel 2

Popcorning Beispiel 2

  • QFP Baustein, mit Riss an der Oberfläche der Kunststoffeinbettung


Popcorning beispiel 3

Popcorning Beispiel 3

  • Mikroausschnitt eines BGA mit ersichtlicher Schichtspaltung und Riss zwischen Verguss- und Trägermaterial


Popcorning beispiel 4

Popcorning Beispiel 4

  • BGA Baustein, mit Riss zwischen Trägermaterial und Kunststoffeinbettung


Popcorning beispiel 5

Popcorning Beispiel 5

  • QFP Baustein, mit Riss an der Unterseite des Trägermaterials


Ipc levels f r ic s

IPC-Levels für IC`s

Quelle: IPC


Ipc levels f r ic s1

IPC-Levels für IC`s

Quelle: Intel


Bauteilfeuchtigkeit bersicht

Bauteilfeuchtigkeit Übersicht

Quelle: Intel


Absorption

Absorption

Quelle: Intel


Absorption1

Absorption

Quelle: Intel


Herk mmliche pr vention

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

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


L tbarkeit

Lötbarkeit

SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux


Feuchtigkeitsempfindliche bauteile msd ein echtes problem in der produktion

Lötbarkeit

SOIC 14 Chip, 60/40 Sn/Pb Legierung, Typ R flux, 4 Stunden bei 100°C


Feuchtigkeitsempfindliche bauteile msd ein echtes problem in der produktion

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


Bildung intermetallischer schichten

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 pr vention

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

    • EffizientereRaumnutzung innerhalb der Produktionsstätten


Vielfalt der trockenlagerung

Vielfalt der Trockenlagerung

  • MBB (feuchtigkeitssperrende Verpackung )

  • Stickstofflagerschrank

  • Trockenluftkabine

  • Trockenlagerschrank


Pro u kontra von mbb

Pro u. Kontra von MBB

Kontra

  • Gefahr unverschlossener oder beschädigter Verpackungen

  • Mit Feuchtigkeit gesättigtes Silica Gel Trocknungsmittel

  • Falsche Lagerung des Silica Gel Trocknungsmittels

  • Arbeitsintensiv

Pro

  • Niedrige Einführungskosten, geringe Investition


Pro u kontra von stickstoffbeh ltern

Pro u. Kontra von Stickstoffbehältern

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

Pro

  • Stickstoff ist leicht erhältlich

  • Allgemein bekannt


Kostenvergleich mit n

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.


Trockenlagerschr nke

Trockenlagerschränke


Geschichte der trockenlagerschr nke

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

Pro u. Kontra des Trockenlagerschranks

Pro

  • Trocknet ohne Temperatureinwirkung

  • Schneller Trocknungsprozess

  • Keine Wartung

  • Elektronisch überwachte Feuchteregelung

  • Niedrige Energiekosten

  • Luftdicht

  • Beweglich auf lenkbaren Rollen

Kontra

  • Hohe Anschaffungskosten


Empfehlung der trocknungszeiten

Empfehlung der Trocknungszeiten

Bei gleicher Temperatur entspricht die Trocknungszeit der IPC empfohlenen Verarbeitunszeit.

HSD-Serie

SDE-Serie


Akzeptanz des trockenlagerschranks

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)


Trockenlagerschrankversorgung

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


Einsatzm glichkeiten

Einsatzmöglichkeiten

  • CSP, BGA, QFP etc

  • Printed Circuit Boards

  • Wafers

  • Ceramics

  • Crystal Resonator

  • Optical Fiber, CCD etc

  • (LCG) Liquid Crystal Glass


Ipc jedec 033a anwendung

IPC/JEDEC 033a Anwendung

Trockenlagerschrank mit 10% RH

Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einem Trockenlagerschrank bei höchstens 10% RH gelagertwerden. 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.


Ipc jedec 033 anwendung

IPC/JEDEC 033 Anwendung

Trockenlagerschrank mit 5% RH

Feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, nicht in MBB versiegelt, können in einer Trockenluftkabine bei höchstens 5% RH gelagertwerden. Diese Lagerung ist mit MBB vergleichbar und gewährleistet eine unbegrenzte Lagerfähigkeit.


Funktionsweise des trockenlagerschranks

Funktionsweisedes Trockenlagerschranks


Funktionsprinzip

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

Die Funktion der Trockeneinheit

Ventil innen

Ventil außen (Wasserdampfaustritt in der Recyclingphase)

Trockenmittel Zeolith

Lüfter

Ventil außen

Ventil innen


Zeolith

Zeolith

  • Synthetisch produzierter Zeolith A

  • 47% offene Fläche

  • Hohes Maß an Absorption bei niedrigem RH Wert

  • Hervorragende Regenerationseigenschaften


Funktionsprinzip1

Funktionsprinzip

Um eine minimale Konta-mination mit Außenluft sicherzustellen stoppt der Lüfter automatisch, sobald eine Tür geöffnet wird.

(Besonderheit Super-Dry)


Funktionsprinzip2

Funktionsprinzip

Nach schließen der Tür sorgt der Lüfter für eine schnelle Entfeuchtung des luftdicht abgeschlossenen Innenraums.


Kalibrierung

Kalibrierung

kalibrierbar durch Austausch der kompletten Sensorsplatine


Wartungsempfehlung

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

Grundvoraussetzungen

  • Kurze Wiederherstellungszeiten nach Zugriff

  • Aufrechterhalten konstanter RH Werte nach Wiederherstellung


Regelgenauigkeit

Regelgenauigkeit


Feuchtigkeitsanstieg bei stromausfall

Feuchtigkeitsanstieg bei Stromausfall


Funktionen von sd und hsd

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

SD-Serie


Hsd serie mit einer zweiten trockeneinheit

HSD-Serie mit einer zweiten Trockeneinheit


Trocknungsleistung verschiedener typen

Trocknungsleistung verschiedener Typen


Feuchtigkeitsempfindliche bauteile msd ein echtes problem in der produktion

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)


Schrankgr e u einrichtung

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


Option datenlogger

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 datenlogger1

Option: Datenlogger


Option alarmmeldungen

Option: Alarmmeldungen

  • Warnton / Warnleuchte bei offener Tür nach 90 Sekunden

  • Warnton / Warnleuchte oder SMS-Alarm bei Überschreitung eines RH Grenzwertes nach vorgegebener Zeit


Option spulenst nder

460 mm

190 mm

Option: Spulenständer


Option spulenst nder1

Option: Spulenständer

Doppel-Reel-Rack auf kugelgelagertem Auszug


Option facheinteilung

Option: Facheinteilung


Option stickstoffsp lung

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


Sonderl sungen

Sonderlösungen


Zusammenfassung

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


Feuchtigkeitsempfindliche bauteile msd ein echtes problem in der produktion

Vielen Dank


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