Guia para Sensibilidade à Umidade em PCB

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Embora os efeitos da delaminação possam ser detectados por meio de imagens térmicas e microscopia acústica, eles nem sempre aparecem na forma de sintomas óbvios, como descoloração e superfícies com bolhas. No geral, é altamente preferível evitar que a umidade atinja o PCB em primeiro lugar. Essa proteção pode ser alcançada por meio de processos como pré-cozimento e armazenamento adequado. O design do PCB também pode afetar se a umidade é mais ou menos provável de ser um problema. Um dos problemas mais preocupantes com placas de circuito impresso (PCBs) envolve a presença de umidade. Se houver umidade dentro de uma PCB, a desestabilização causada por ela é suscetível de ter um efeito de delaminação nos elementos da superfície. Sempre que a solda ou o retrabalho é aplicado ao PCB, a delaminação pode se expandir facilmente como resultado do teor de umidade.

Como a umidade pode afetar um PCB

A presença de umidade pode levar a várias falhas funcionais em um PCB, dependendo de quais componentes ou caminhos condutores entram em contato com ele à medida que a difusão ocorre. A umidade pode apodrecer nas interfaces de vidro epóxi, resina ou vidro e rachaduras em uma placa. Os problemas comumente associados à umidade incluem velocidades de circuito mais lentas e tempos de atraso aumentados com as funções de um dispositivo correspondente. Se o problema exceder um determinado limite, o dispositivo pode simplesmente não ativar.

Foram realizados testes que mostram os efeitos da absorção e dessorção de umidade em placas de circuito impresso. Em uma placa de circuito impresso com orifícios de passagem revestidos de densidade variável, as quantidades de umidade retidas têm diferentes taxas de dessorção com base na distância entre cada orifício. Em PCBs fortemente saturados, a dessorção pode levar centenas de horas em ambientes de alta temperatura.

Se um PCB for colocado em um ambiente onde a pressão de umidade atmosférica excede a resistência da placa e seus componentes, a umidade pode penetrar no PCB. Para evitar que a delaminação de umidade tenha efeito em um PCB, a soldagem deve ser realizada apenas com altas temperaturas com menos de 0,1 por cento de umidade ou com baixas temperaturas com menos de 0,2 por cento de umidade. A solda de alta temperatura ficaria em torno de 260 graus Celsius, enquanto a solda de baixa temperatura estaria na estimativa de 230 graus Celsius.

Detecção e remoção de umidade

Quando são feitas medições da capacidade de um PCB de armazenar energia elétrica, uma mudança no teor de umidade pode ser detectada dentro da placa. Sensores de capacitância são usados ​​neste processo. Os níveis de capacitância se movem em proporção inversa à densidade do furo. Se o último for alto, o primeiro é baixo porque há menos distância entre a umidade e a superfície, mas mais espaço para a umidade escapar.

Em PCBs não-PTH, a capacitância diminui em um ritmo mais rápido. Como tal, é necessário menos tempo de cozimento para que essas placas tenham um nível de umidade baixo o suficiente. Nas placas PTH, há menos espaço na superfície exposta para que a umidade escape.

Devido ao efeito inverso dos planos de cobre no processo de dessorção, eles devem ser cozidos levando em consideração seu design. Por um lado, você pode esvaziar a umidade de uma placa com mais eficiência executando o processo de cozimento por períodos mais longos, mas isso pode reduzir a capacidade de soldagem e a capacidade funcional da placa. Consequentemente, o tempo de cozimento deve ser medido para evitar esses possíveis efeitos colaterais.

O processo de remoção de umidade nem sempre produz resultados previsíveis. Por exemplo, um par de planos de cobre idênticos pode sofrer uma explosão central de umidade à medida que o cozimento começa, apenas para difundir momentos depois. Se esse aumento momentâneo de umidade ocorrer em uma área da placa onde a delaminação é mais provável, pode ser o efeito colateral não intencional do cozimento.

Em algumas placas, a remoção de umidade simplesmente não é possível, uma vez que a umidade se difundiu através de várias camadas. Portanto, é crucial empregar medidas para evitar a entrada de umidade na placa durante o processo inicial de montagem.

Por que isso acontece?

Uma das formas mais comuns de exposição de PCBs à umidade é através do contato com o frio ar de inverno. Em temperaturas frias, não há calor suficiente no ar atmosférico para absorver a umidade. Como resultado, o conteúdo hidratado do ar é liberado em superfícies frias. Se uma superfície se tornar mais fria do que o próprio ar, essa superfície pode servir como um ímã para a umidade liberada ou condensado. Esse processo é o motivo pelo qual as janelas geralmente ficam embaçadas durante o inverno.

Itens frios colocados próximos a áreas de condensação também podem atrair umidade do ar. Por exemplo, um vaso colocado ao longo do parapeito de uma janela embaçada pode ficar úmido com gotículas de umidade. Qualquer superfície que possa ficar mais fria do que o ar interno e reter água parada pode servir como um ímã, incluindo as superfícies dos componentes do computador.

As superfícies internas e externas de um computador ou dispositivo periférico inativo podem esfriar facilmente nos meses de inverno. À medida que as superfícies ficam mais frias do que o próprio ar, elas atraem umidade. Com componentes internos, o problema pode ser agravado se não houver orifícios de ventilação para que a umidade escape. PCBs, por exemplo, podem ser colocados horizontalmente dentro de uma caixa de computador, scanner, player de vídeo ou aparelho estéreo. Durante as horas do dia, quando a casa está vazia e o calor e a eletricidade estão desligados, apesar das baixas temperaturas externas, esses dispositivos podem servir como ímãs de umidade.

À medida que a umidade se difunde nas superfícies dos PCBs e outros circuitos internos, os dispositivos podem eventualmente não ligar novamente. Quando um dispositivo é deixado inativo durante os meses de inverno e não é ativado na primavera, a umidade internalizada às vezes é a causa. Como o próprio dispositivo está inativo, não houve geração interna de calor dentro da unidade durante o período de tempo em questão.

Outras formas que a umidade pode acumular em PCBs incluem o seguinte:

• Embalagem insuficiente: Os PCBs também podem entrar em contato com a umidade quando são embalados ou armazenados em sacos e armários insalubres. Se uma placa for enviada em um pacote insalubre que não oferece proteção contra as condições ambientais, a umidade pode infiltrar-se sob certas condições. Em alguns casos, a umidade se difundirá nas camadas do PCB antes de chegar às mãos do cliente.
• Montagem: Uma das maneiras mais ilusórias e frustrantes que a umidade pode entrar em contato com um PCB é quando partículas de água do ar ambiente pousam na placa durante o processo de montagem. Se a água cair na própria placa antes da soldagem e se difundir pelas camadas, a própria placa pode ser fabricada essencialmente com um defeito. Embora existam etapas para remover a umidade, essas mesmas etapas também podem abrir o quadro para uma maior exposição.
• Cozimento: A umidade pode até aumentar dentro de uma placa durante o processo mais comum usado para combater a umidade do PCB:cozimento. Embora a intenção por trás do cozimento seja aquecer os PCBs a níveis de temperatura que forçam a saída da umidade, as moléculas de umidade internalizadas geralmente se expandem momentaneamente à medida que a temperatura aumenta dentro da placa. Embora a maior parte da umidade seja expulsa do PCB, a expansão momentânea pode causar ainda mais difusão irreversível dentro da placa.

Padrões IPC para Umidade

Em 2010, os padrões IPC para controle de umidade de PCB foram estabelecidos para corrigir a negligência que este tópico recebeu no escopo geral de manutenção de PCB. As placas de solda revestidas podem manter sua soldabilidade por períodos mais longos, desde que sejam tomadas medidas para evitar a entrada de umidade nas placas. Alternativamente, as placas podem durar mais se forem empregadas as etapas adequadas para difundir a umidade.

De acordo com as diretrizes, o cozimento é um método prático para remoção de umidade de PCBs nos quais os controles de processo pré-existentes falharam em impedir a entrada de umidade. No entanto, as diretrizes também alertam que o cozimento leva ao aumento das despesas, maior tempo de ciclo e diminuição da soldabilidade. O processo de cozimento também consiste em manuseio adicional, que pode causar danos e contaminação em um PCB. Portanto, a necessidade de assar deve ser evitada ao máximo com manutenção preventiva durante a montagem, manuseio e armazenamento dos PCBs.

O documento adverte especialmente contra o cozimento de revestimentos de conservantes orgânicos de solda (OSP) porque os efeitos do cozimento diminuem o acabamento. Na soldagem sem chumbo, os revestimentos OSP são comuns devido às etapas econômicas e fáceis envolvidas em sua aplicação. Apesar dessas vantagens, as camadas OSP podem oxidar facilmente devido à simplicidade da camada de revestimento, que é a única coisa que protege a superfície de cobre subjacente. Leva apenas alguns minutos para que a separação da superfície e a difusão da umidade ocorram com um revestimento OSP.

Os PCBs geralmente são enviados em embalagens que tornam as placas vulneráveis ​​à absorção de umidade. Em muitos casos, os PCBs são enviados em sacos de papel alumínio ou sacos ESD. Conseqüentemente, essas placas geralmente chegam com quantidades perigosas de difusão de umidade. Se forem armazenados nas embalagens após o recebimento, as placas podem ser facilmente arruinadas em questão de meses. Os PCBs devem ser enviados e armazenados em Moisture Barrier Bags (MBBs).

Como evitar a umidade em PCBs

Durante a fabricação de PCBs, o processo de laminação deve ser realizado em um ambiente com temperatura controlada onde o sistema de ar é regulado com agentes dessecantes de secagem. Também é crucial usar luvas novas durante cada ciclo de trabalho para evitar a propagação da contaminação entre os diferentes componentes.

O próprio processo de laminação de PCB tem um efeito desidratante no produto acabado. É durante esta fase que os pré-impregnados e os núcleos são colocados e as camadas são coladas em uma única placa. Alguns fabricantes aplicam um efeito de vácuo de baixa pressão durante este estágio para evitar vazios internos que poderiam prender a umidade dentro das camadas.

Entre certos fabricantes de PCB, é prática comum assar os pré-impregnados antes da laminação. O objetivo aqui é evitar que bolsas de umidade e bolhas se formem na placa acabada. Esta etapa é mais útil quando o prepreg passou um certo período de tempo anteriormente em um ambiente de armazenamento não regulamentado. Caso contrário, esta etapa geralmente não é necessária.

Um dos meios mais eficazes de prevenção de umidade em um PCB são os planos de cobre em malha, que inibem a passagem de umidade entre as camadas, bem como dentro e fora das placas. Planos de cobre em malha também servem como um material de ligação mais forte entre as camadas. No entanto, sua presença em uma PCB pode reduzir a capacidade elétrica da placa.

Como remover a umidade dos PCBs

O principal método para eliminar a umidade de um PCB é o cozimento, durante o qual altos níveis de calor são aplicados para forçar a saída de vestígios de umidade incorporados. Assar é um método popular porque altas temperaturas são um meio eficaz de remoção de umidade na maioria das configurações. À medida que o calor percorre as camadas submetidas a este tratamento, os efeitos geralmente serão profundos e duradouros. O cozimento é frequentemente empregado durante o estágio de montagem antes que os PCBs sejam enviados para lojas e fábricas de eletrônicos.

Apesar dos efeitos frequentemente positivos do cozimento, o processo também pode ter suas desvantagens. Se um PCB contiver grandes planos de cobre, as concentrações de umidade podem aumentar no início durante o processo de revestimento, causando delaminação como resultado. É durante esses segundos de inchaço que a difusão da umidade pode ocorrer. Quando isso acontece, o processo de remoção de umidade se torna muito mais difícil, se não impossível.

Os PCBs podem ser drenados do teor de umidade quando são colocados em compartimentos de secagem, que mantêm as placas em temperaturas ideais com menos de 0,05 g/m3 de vapor de ar. Este ambiente fornece um efeito de vácuo em PCBs que impede que a umidade se fixe ou se difunda. Os invólucros secos também evitam a oxidação e desenvolvimentos intermetálicos. Os PCBs podem ser armazenados indefinidamente em compartimentos de secagem com pouco risco de deterioração.

É importante que os PCBs sejam armazenados adequadamente em compartimentos secos. Quando são enviados e mantidos em reserva, os PCBs devem ser embalados em MBBs. Unidades de armazenamento a seco com ar desumidificado podem evitar a exposição à umidade durante as semanas ou meses em que uma PCB aguarda o uso em um computador ou dispositivo eletrônico.

Um PCB contido em um dispositivo ativo pode estar em contato com a umidade se o próprio dispositivo estiver em um ambiente úmido. Situado em uma sala com janelas embaçadas, um dispositivo desativado pode facilmente ter superfícies hidratadas por dentro e por fora, mesmo que o problema não seja aparente a olho nu. Você pode evitar esse problema mantendo as unidades eletrônicas ativas durante os meses frios e mantendo temperaturas internas razoavelmente quentes. Um computador ativo, por exemplo, gerará calor interno suficiente para eliminar a umidade de PCBs e outros componentes.

Outra maneira de combater a umidade em componentes eletrônicos é colocar esses dispositivos na posição vertical. Uma caixa de computador horizontal terá um PCB deitado que pode hospedar umidade permanente. Em uma torre de computador, o PCB está situado na posição vertical. Quando o objetivo é remover a umidade por todos os meios necessários, a vertical é preferível à horizontal.

Placas de circuito impresso da Millennium Circuits Limited

A absorção de umidade do PCB é uma questão importante a ser reconhecida se você usar placas de circuito impresso para produtos de qualquer tipo. Para garantir uma longa vida útil da placa, as precauções de manuseio do PCB são necessárias para dominar todas as etapas de montagem, manuseio, envio, armazenamento, instalação, manutenção e realocação.

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