Entendendo Sensibilidade à Umidade em PCBs: Prevenção, Detecção e Remoção

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Embora os efeitos de deslaminação possam ser detectados via imagem térmica e microscopia acústica, eles nem sempre se manifestam na forma de sintomas óbvios como descoloração e superfícies com bolhas. Em geral, é altamente preferível prevenir a umidade de atingir o PCB em primeiro lugar. Esta proteção pode ser alcançada através de processos como pré-assamento 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 a umidade existe dentro de um PCB, a desestabilização causada por ela é passível de ter um efeito deslaminador nos elementos de superfície. Sempre que soldagem ou retrabalho é aplicado ao PCB, a deslaminação poderia facilmente expandir como resultado do conteúdo 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 condutivos entram em contato com ela conforme a difusão toma conta. A umidade pode fermentar no epóxi de vidro, resina ou interfaces de vidro e rachaduras em uma placa. Problemas comumente associados à umidade incluem velocidades de circuito lentas e tempos de atraso aumentados com as funções de um dispositivo correspondente. Se o problema exceder um certo limite, o dispositivo pode simplesmente falhar em ativar.

Testes foram conduzidos que mostram os efeitos de absorção e dessorção de umidade em placas de circuito impresso. Em um PCB com furos metalizados de densidade variável, quantidades aprisionadas de umidade têm diferentes taxas de dessorção baseadas na distância entre cada furo. Em PCBs fortemente saturados, a dessorção pode levar centenas de horas em ambientes de alta temperatura.

Se um PCB é 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 prevenir a deslaminação por umidade de fazer efeito em um PCB, a soldagem deve ser realizada apenas com altas temperaturas de menos de 0,1 por cento de teor de umidade ou com baixas temperaturas de menos de 0,2 por cento de teor de umidade. Soldagem de alta temperatura giraria em torno de 260 graus Celsius, enquanto soldagem de baixa temperatura estaria na faixa de 230 graus Celsius.

 

Detectando e Removendo Umidade

Quando medições são feitas 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. Níveis de capacitância movem-se em proporção inversa à densidade de furos. Se o último é 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, menos tempo de assamento é necessário para estas placas terem um nível de umidade baixo o suficiente. Em placas PTH, há menos espaço de superfície exposto para a umidade escapar.

Devido ao efeito inverso de planos de cobre no processo de dessorção, eles devem ser assados com consideração para seu design. Por um lado, você pode esvaziar a umidade mais efetivamente de uma placa executando o processo de assamento por períodos mais longos, mas fazer isso pode reduzir a soldabilidade e a capacidade funcional da placa. Consequentemente, o tempo de assamento deve ser medido para evitar estes possíveis efeitos colaterais.

O processo de remoção de umidade nem sempre produz resultados previsíveis. Por exemplo, um par de planos de cobre idênticos poderia passar por um flare-up central de umidade quando o assamento começa, apenas para difusão momentos depois. Se este inchaço momentâneo de umidade ocorre em uma área da placa onde a deslaminação é mais provável, poderia ser o efeito colateral não intencional do assamento.

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

 

Por que Acontece?

Uma das maneiras mais comuns para PCBs serem expostos à umidade é através do contato com ar frio de inverno. Em temperaturas frias, não há calor suficiente dentro do ar atmosférico para absorver umidade. Como resultado, o conteúdo umidificado do ar é liberado em superfícies frias. Se uma superfície se torna mais fria que o ar em si, essa superfície pode servir como um ímã para umidade liberada, ou condensado. Este processo é por que janelas frequentemente ficam embaçadas durante o inverno.

Itens frios colocados em proximidade a áreas de condensação também são passíveis de atrair umidade do ar. Por exemplo, um vaso colocado ao longo do parapeito de uma janela embaçada é passível de ficar úmido com gotículas de umidade. Qualquer superfície que possa se tornar mais fria que o ar interno e segurar água parada pode servir como ímã, incluindo superfícies de componentes de computador.

As superfícies internas e externas de um computador ou dispositivo periférico inativo podem facilmente ficar frias nos meses de inverno. À medida que as superfícies se tornam mais frias que o ar em si, elas atraem umidade. Com componentes internos, o problema pode ser exacerbado se não houver furos de ventilação presentes para a umidade escapar. PCBs, por exemplo, podem ser situados horizontalmente dentro de uma caixa de computador, scanner, videoplayer ou dispositivo de som. Durante horas do dia quando a casa está vazia e o aquecimento e a eletricidade estão ambos desligados apesar de baixas temperaturas externas, estes dispositivos podem servir como ímãs de umidade.

À medida que a umidade difunde nas superfícies de PCBs e outra circuitaria interna, os dispositivos podem eventualmente falhar em ligar novamente. Quando um dispositivo é deixado dormente durante os meses de inverno e falha em ativar na primavera, umidade internalizada é às vezes a causa. Como o dispositivo em si esteve inativo, não houve geração de calor interno dentro da unidade durante o período em questão.

Maneiras adicionais que a umidade pode se acumular em PCBs incluem o seguinte:

• Embalagem insuficiente: PCBs também podem entrar em contato com umidade quando são embalados ou armazenados em sacos e gabinetes insalubres. Se uma placa é enviada em um pacote insalubre que não oferece proteção de condições ambientais, a umidade pode infiltrar-se sob certas condições. Em alguns casos, a umidade difundirá nas camadas do PCB antes que chegue nas mãos do cliente.
• Montagem: Uma das maneiras mais elusivas e frustrantes que a umidade pode entrar em contato com um PCB é quando particulados de água do ar ambiente caem na placa durante o processo de montagem. Se água cai na placa em si antes da soldagem e difunde através das camadas, a placa em si pode essencialmente ser fabricada com um defeito. Mesmo que existam etapas para remover umidade, essas mesmas etapas também podem abrir a placa para exposição adicional.
• Assamento: A umidade pode até inchar dentro de uma placa durante o processo mais comum usado para combater umidade de PCB: assamento. Enquanto a intenção por trás do assamento é aquecer PCBs a níveis de temperatura que forçam a umidade para fora, as moléculas de umidade internalizadas frequentemente expandem momentaneamente à medida que a temperatura sobe dentro da placa. Embora a maior parte da umidade seja finalmente expelida do PCB, a expansão momentânea pode causar difusão irreversível adicional dentro da placa.

 

Normas IPC para Umidade

Em 2010, normas IPC para controle de umidade de PCB foram estabelecidas para reparar a negligência que este tópico recebeu no escopo geral de manutenção de PCB. Placas de solda revestidas podem reter sua soldabilidade por períodos mais longos desde que medidas sejam tomadas para prevenir a umidade de entrar nas placas. Alternativamente, placas podem durar mais se passos adequados forem empregados para difundir umidade.

De acordo com as diretrizes, assamento é um método prático para remoção de umidade de PCBs nos quais controles de processo pré-existentes falharam em prevenir a entrada de umidade. No entanto, as diretrizes também alertam que assamento leva a despesas aumentadas, tempo de ciclo adicional e soldabilidade diminuída. O processo de assamento também consiste em manuseio adicional, que pode causar danos e infligir contaminação em um PCB. Portanto, a necessidade de assamento deve ser evitada tanto quanto possível com manutenção preventiva durante a montagem, manuseio e armazenamento de PCBs.

O documento alerta especialmente contra o assamento de revestimentos preservadores de soldabilidade orgânicos (OSP) porque os efeitos do assamento diminuem o acabamento. Em soldagem sem chumbo, revestimentos OSP são comuns devido às etapas custo-efetivas e fáceis envolvidas em sua aplicação. Apesar destas vantagens, camadas OSP podem facilmente oxidar devido à simplicidade da camada de revestimento, que é a única coisa protegendo a superfície de cobre subjacente. Leva apenas alguns minutos para separação de superfície e difusão de umidade ocorrer com um revestimento OSP.

PCBs são frequentemente enviados em embalagens que tornam as placas vulneráveis à absorção de umidade. Em muitos casos, PCBs são enviados em sacos de folha ou sacos ESD. Consequentemente, tais placas frequentemente chegam com quantidades perigosas de difusão de umidade. Se são armazenadas nos pacotes após serem recebidas, as placas poderiam facilmente ser arruinadas em questão de meses. PCBs devem ser enviados e armazenados em Sacos de Barreira de Umidade (MBBs).

 

Como Prevenir Umidade em PCBs

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

O próprio processo de laminação de PCB tem um efeito desidratante no produto final. É durante esta etapa que os prepregs e núcleos são colocados no lugar e as camadas são ligadas em uma única placa. Alguns fabricantes aplicam um efeito de vácuo de baixa pressão durante esta etapa para prevenir vazios internos que poderiam possivelmente aprisionar umidade dentro das camadas.

Entre certos fabricantes de PCB, é prática comum assar os prepregs antes da laminação. O objetivo aqui é prevenir bolsas de umidade e bolhas de se formarem na placa finalizada. Esta etapa é mais útil quando o prepreg passou um certo tempo antes em um ambiente de armazenamento não regulado. Caso contrário, esta etapa geralmente não é necessária.

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

 

Como Remover Umidade de PCBs

O principal método para eliminar umidade de um PCB é assamento, durante o qual altos níveis de calor são aplicados para forçar traços embutidos de umidade. Assamento é um método popular porque altas temperaturas são um meio eficaz de remoção de umidade na maioria dos cenários. À medida que o calor trabalha através das camadas submetidas a este tratamento, os efeitos geralmente serão completos e duradouros. Assamento é frequentemente empregado durante a etapa de montagem antes que PCBs sejam enviados para lojas e fábricas de eletrônicos.

Apesar dos efeitos frequentemente positivos do assamento, o processo também pode ter suas desvantagens. Se um PCB contém grandes planos de cobre, concentrações de umidade podem inchar no início durante o processo de assamento, causando deslaminação como resultado. É durante aqueles segundos de inchaço que a difusão de umidade pode ocorrer. Uma vez que isso acontece, o processo de remoção de umidade torna-se muito mais difícil, se não impossível.

PCBs podem ser drenados de teor de umidade quando são colocados em gabinetes de secagem, que mantêm placas em temperaturas ideais com menos de 0,05g/m3 de vapor de ar. Este ambiente fornece um efeito de vácuo em PCBs que impede a umidade de se fixar ou difundir. Gabinetes secos também previnem oxidação e desenvolvimentos intermetálicos. PCBs podem ser armazenados indefinidamente em gabinetes de secagem com pouco risco de deterioração.

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

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

Outra maneira de combater umidade em componentes eletrônicos é posicionar tais dispositivos em posição vertical. Uma caixa de computador horizontal terá um PCB deitado que poderia possivelmente hospedar umidade parada. Em uma torre de computador, o PCB está situado em posição vertical. Quando o objetivo é remover umidade por todos os meios necessários, vertical é preferível a horizontal.

 

Placas de Circuito Impresso da Millennium Circuits Limited

Absorção de umidade em PCB é um problema importante a reconhecer se você usa placas de circuito impresso para produtos de qualquer tipo. Para garantir longa vida da placa, precauções de manuseio de PCB são necessárias para dominar através de todas as etapas de montagem, manuseio, envio, armazenamento, instalação, manutenção e relocação.

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