כיצד לייבש רכיבים אלקטרוניים ללא שימוש בתנור אפייה

8 נובמבר, 2013

משה לוי מחברת ממטק סוקר את בעיית הלחות של רכיבים אלקטרוניים בשלבי האיחסון והייצור וכיצד מתמודדים איתה. בסיום הוא מציע פתרון של חברת Totech שיוצג השבוע בתערוכת Productronica במינכן

משה לוי סוקר את בעיית הלחות של רכיבים אלקטרוניים בשלבי האיחסון והייצור וכיצד מתמודדים איתה. בסיום הוא מציע פתרון של חברת Totech שיוצג השבוע בתערוכת Productronica במינכן

מאת: משה לוי, Memtech

לעתים רבות היצרנים מתעלמים מהשפעת הלחות על איכות ותיפקוד הרכיבים האלקטרוניים. רכיבים רגישים ללחות (Moisture Sensitive Devices) הינם רכיבים אלקטרוניים הארוזים במארזי פלסטיק או חומרים אורגניים אחרים שאינם אטומים לחדירת לחות. הלחות מהאטמוספירה חודרת למארז בתהליך של דיפוזיה ומשנה את תכונות החומרים ואת התנהגותם בשלב ההלחמה.

מידת הרגישות ללחות של הרכיבים מושפעת ממבנה הרכיב, החומרים מהם מורכב המארז, המימדים הפנימיים והחיצוניים, צורת המארז ואפילו גודל פיסת הסיליקון בתוך המארז. בנוסף, כמות הלחות שהרכיב סופג מושפעת גם מהטמפרטורה, הלחות היחסים בחלל בו מאוחסן הרכיב ובזמן בו החשיפה ללחות. ברור למדי שככול שהלחות היחסית בחלל האחסון תגדל, גם הלחות הנספחת לרכיב תעלה.

רוב הייצור בישראל הוא של כמויות קטנות ומגוון גדול (Low Volume High Mix). מכאן שלעיתים קרובות צריך לאחסן את הרכיבים תקופות ארוכות יחסית, ולכן הם נמצאים ברמת סיכון גבוהה לספיחת לחות. ראוי לציין שגלילי רכיבים הנמצאים באווירת ייצור של כמויות קטנות ומגוון גדול, דורשים "זמן התרוקנות גדול יותר.

תקן IPC/JEDEC J‐STD‐033 נועד להתמודד עם הבעיות הקשורות ברכיבים רגישים ללחות (MSD). הוא מגדיר הוראות טיפול, אריזה, משלוח והמלצות לצורת היישום של ההוראות. תפקיד יצרני הרכיבים לערוך ניסויים שיקבעו את הכמות והקצב של ספיחת הלחות ברכיבים המיוצרים, ועל-סמך זאת לקטלג את אורך חיי המדף המירבי של הרכיב בטמפרטורה של 30°C ולחות יחסית של 60% – תנאים המדמים ריצפת ייצור ממוצעת.

תקן J-STD-020 מגדיר 5 רמות של רגישות ללחות (Moisture Sensitivity Level): רמה 1 מתארת רכיב שאינו סופח לחות, ורמה 5 מתארת רכיב שהוא רגיש מאוד ללחות. פרמטר MSL מכתיב גם את זמן המדף המירבי של הרכיב. יצרן הרכיבים צריך לארוז אותם באריזה יבשה ולסמנם באופן ברור לפני המשלוח. הסימון כלול בבירור את ציון ה-MSL של הרכיב.

כיצד לעצור את שעון ה-MSL

מרגע פתיחת אריזת הוואקום של היצרן ואחסון הרכיב ברצפת הייצור, הרכיב מתחיל לספוח לחות. שעון ה-MSL מתחיל לתקתק. באופן תיאורטי צריך להרכיב ולהלחים את הרכיב לפני תום זמן המדף המוגדר באמצעות ציון ה-MSL. אולם ניתן לעצור את תיקתוק שעון ה-MSL, אם מאחסנים את הרכיב באווירה של לחות יחסית פחותה מ-5%: מרגע הכנסת הרכיב לארון האחסון או אריזתו מחדש בשקית ואקום, שעון ה-MSL נעצר וניתן לאחסן את הרכיב לאורך זמן ללא חשש של בעיות לחות בשלב הייצור.

המעקב אחר שעון ה-MSL לכל רכיב מציב קושי לוגיסטי לא מבוטל. בשוק יש תוכנות שפותחו במיוחד למעקב כזה. התוכנה רושמת כל תנועה של הרכיב במרחב הייצור: מחסן, איחסון יבש, אחסון בשקית ואקום וזמן שהייה ברצפת הייצור – ומספקת אינדיקציה לשעון ה-MSL  של כל רכיב. אולם אם הרכיב שהה ברצפת הייצור זמן ארוך יותר מהמוגדר על-ידי ה-MSL שלו, אסור להרכיבו ויש צורך להעבירו לתהליך ייבוש. תהליך זה "מאפס" את השעון, וחיי הרכיב על רצפת הייצור מתחילים מחדש. מאמר זה מתאר שיטות שונות לייבוש רכיבים, יתרונותיהן וחסרונותיהן.

מה מתרחש כאשר רכיב לא יבש נכנס לשלב ה-Reflow?

רכיב  לא יבש הוא רכיב שהמארז שלו ספח לחות בכמות שתגרום להיווצרות אדים בתוך המארז כאשר מחממים אותו לטמפרטורות ההלחמה בתהליך ה-Reflow. ככל שטמפרטורת ההלחמה גבוהה יותר, לחץ האדים בתוך המארז גדל והאדים האגורים בתוכו הופכים לקיטור הפורץ את המארז וסודק אותו. תופעה זו נקראת "פופקורן" (Pop-corning Effect).

תהליכים נטולי עופרת מגבירים את בעיות ה-MSD

שילוב סגסוגות נטולות עופרת בתהליך ה-Reflow, הגבירו בצורה דרמטית את הסיכונים הקשורים בטיפול גבולי או בלתי ראוי ברכיבים רגישים ללחות (MSD). טמפרטורות ריפלו גבוהות יותר מכפילים ומשלשים את לחץ האדים בהשוואה לתהליכי בדיל-עופרת. כתוצאה מכך, הלחות המותרת וחיי המדף המירביים של כל רכיב הופחתו בהתאמה. כל הרכיבים רגישי הלחות (MSD) היו חייבים לעבור בדיקה וקיטלוג (קבלת פרמטר MSL חדש) מחודשים על-מנת שיתאימו לתהליכים בסגסוגות נטולות עופרת. בדרך-כלל הקיטלוג מחדש גורם לרכיבים לקבל פרמטר MSL גבוה יותר בציון אחד או שניים, ולדבר זה השפעה רבה על האופן שבו יש לטפל ברכיבים בשלבי האיחסון והייצור.

הוועדה לטיפול בהגדרות MSD דיווחה שאפילו רכיבים פסיביים (נגדים וקבלים קראמיים) אשר הוגדרו כ-MSL1 הראו כשלים לאחר תהליך ריפלו נטול עופרת, עקב הימצאות לחות בתוך הרכיב. אפילו מעגלים מודפסים רגישים לתופעה, והמעבר לפרופילי טמפרטורה גבוהים יותר בסביבה נטולת עופרת, העצים את תופעת הפרדת השכבות  (דלימיניזציה). התברר לוועדה שמעגלים מודפסים צריכים להיות מטופלים כרכיבים בעלי MSL4. במילים אחרות, יש לאחסן אותם בסביבה יבישה ולסיים את תהליך הייצור בתוך 72 שעות. אם לא עומדים בתנאי, צריך להעבירם תהליך ייבוש, או להסתכן בהפרדת שכבות.

ייבוש רכיבים

הקצב הגובר של כשלים המקושרים לנזקי לחות מצריך פתרונות חדשים, שחלקם מתמקדים בשיטות ייבוש המאפשרות להוציא את הלחות שנספגה ברכיב. כאן יש להבדיל בין אחסון בייבוש של רכיבים, שהוא תהליך העוצר את השעון, לבין ייבושו של הרכיב, המאפס את השעון.

אפייה בתנור בטמפרטורות גבוהות

אפיית רכיבים היא השיטה המקובלת לייבוש ואיפוס השעון, ומוגדרת בתקן IPC/JEDEC J‐STD‐033. השיטה מבוססת על הכנסת הרכיבים לתנור בטמפרטורה של כ-125ºC ואפייתם בתנור לאורך פרקי זמן מוגדרים של 15שעות עד 10 ימים, עד לייבושם. זו השיטה המהירה והיעילה ביותר, אבל בה כמה חסרונות מהותיים.

חימצון: תהליך ההתחמצנות מואץ כאשר אופים את הרכיבים בטמפרטורה גבוהה וברמת לחות לא מינימלית.
שיכבה אינטר-מטלית: זוהי שיכבה קשיחה ופריכה אשר צומחת בהתמדה. ככל שהיא עבה יותר, ההלחמה פחות חזקה לאורך זמן. טמפרטורות גבוהות מאיצות את צמיחת השכבה האינטרמטלית ולכן ייבוש באפייה מגדיל ומעבה אותה.
הרטבה: הגברת ההתחמצנות ועיבוי השכבה אינטרמטלית גורמים לבעיות הרטבה ולעלייה תלולה בזמני ההרטבה הנדרשים. בגרף למטה ניתן לראות שזמני ההרטבה ארוכים כמעט פי 2 לאחר ייבוש באפייה של 4 שעות בלבד.
ייבוש בגלילים או במגשים: הגלילים ומגשי הרכיבים עשויים מפלסטיק ולא עומדים בטמפרטורות גבוהות מ-60ºC. תהליך האפייה יוצר בעיה של ייבוש הרכיבים באריזתם המקורית.
בזבוז אנרגיה: צריכת החשמל של תהליך הייבוש הינה גבוהה מאוד ומורגשת בעלות האנרגיה של המפעל.

גם האפייה היא אתגר לוגיסטי

הגידול בכמות הרכיבים והמעגלים המודפסים המצריכים תשומת לב מיוחדת וטיפול בלחות, מעמידה את רצפת הייצור בפני התמודדות לוגיסטית חדשה: ייבוש רכיבים. לכל סוג רכיבים צריך להתאים את האפייה המתאימה לו מבחינת זמנים, תנור האפייה עובד בפרופיל טמפרטורה בעל זמן קצוב. עם סיום הזמן, התנור חדל מלעבוד.

במידה ולא מוצאים את הרכיבים ברגע הפסקת פעולת התנור, הרכיבים שנותרו בתנור מתחילים תהליך חדש של ספיחת לחות. בגלל הטמפרטורה הגבוהה שבתוך התנור קצב ספיחת הלחות לתוך הרכיבים שנותרו בחלל התנור הוא מאוד גבוה. כך שרכיבים אלו מתחילים מחדש את "תיקתוק" השעון. בנוסף צריך למצוא פיתרון לייבוש רכיבים בתוך האריזות הפלסטיות (גלילים ומגשים) שאיתם הם מגיעים למכונות ההשמה.

ארונות ייבוש במקום תנורים

כידוע, מים מתאיידים בטמפרטורה נמוכה יותר כאשר הם נמצאים בלחץ אטמוספרי נמוך. על-סמך עיקרון זה פותחו תנורי אפייה בוואקום, המאפשרים לייבש את הרכיבים בטמפרטורות נמוכות מ-60ºC – כדי לא לפגוע באריזות.

למרות הרעיון המוצלח, ניסויים הראו שהתוצאות לא משביעות רצון" הייבוש בוואקום נמשך זמן רב ולא הבטיח תוצאות טובות. חברת Totech Supper Dry הציגה בשנת 2008 גישה חדשה אל הבעיה: שימוש בארון ייבוש השומר על רמת לחות יחסית של פחות מ-1%, בניגוד לארונות האחסון הנפוצים בתעשייה השומרים על רמת לחות יחסית של 5%-10%.

כיצג פועלים ארונות ייבוש

הארונות מצוידים ביחידת ייבוש הכוללת חומר פעיל, בדרך-כלל החומר הוא Silica Gel או מוטציות שלו, הסופח לחות. בארון מתבצעים שני תהליכים: ייבוש ו-Regeneration. הארון למעשה מייבש האוויר בחלל הארון באמצעות הזרמתו דרך החומר הפעיל אשר סופח ממנו את הלחות. האוויר היבש מוחזר לארון וסופח לחות מהרכיב, וחוזר חלילה.

לאחר פרק זמן קבוע מראש מייבשים את החומר הפעיל שספח את הלחות מהאוויר. תהליך זה נקרא Regeneration. במהלכו מחומם החומר הפעיל, והלחות המצויה בו נספגת על-ידי אוויר המוזרם מהאטמוספירה וחוזר אליה. יעילות הייבוש תלויה במידת החימום של החומר הפעיל. לאחר מכן האוויר בחלל הארון עובר שוב דרך החומר הפעיל שהתייבש וחוזר חלילה.

ההבדלים בין ארונות שונים

ההבדלים העקרוניים בין הארונות השונים מתבטאים במספר פרמטרים: הלחות היחסית הדרושה בחלל הארון (Set Value), זמן התאוששות (Recovery Time) המייצג את מהירות החזרה ללחות הרצויה לאחר פתיחה של דלת הארון, Regeneration Time – הזמן שבו חומר הפעיל מתייבש ובו חלל הארון לא עובר תהליך ייבוש, איכות ספיחת הלחות של החומר הפעיל, יכולת החומר הפעיל לעמוד בטמפרטורות גבוהות, שליטה על זרימת האוויר בחלל הארון ודרך החומר הפעיל.

ההבדלים בין הארונות השונים ניכרים מאוד כאשר מנתחים את התנהגות הלחות היחסית בתוך הארון. ברגע שבו נפתח הארון, הלחות היחסית בו עולה דרמטית, לעיתים ליותר מ-30%. המשימה היא להוריד את הלחות ל-Set Value במהירות, כדי לשמור על ממוצע של לחות יחסית נמוך בתוך הארון.

סוד הזאוליט של Totech EU

חברת Totech EU החליטה לפתח ארון ייבוש ברמת לחות של פחות מ-1%. כדי להשיג את היעד היה צורך להמציא שיטה חדשה לספיחת הלחות בארון. חברת Totech EU פיתחה שיטה חדשה של יחידת ייבוש חדשה (פטנט U-5002), המבוססת על שימושב חומר פעיל חדש בשם "זאוליט" (Zeolite). הוא נחשב לסופח לחות היעיל ביותר ומוכר גם בכינוי "מסנן מולקולרי", ובעל עמידות גבוהה בחום, המאפשרת לייעל ולזרז את תהליך ה-Regeneration.

הזאוליט מיוצר בתהליך סינתטי מוגן פטנט של חברת Totech EU. בסיומו מופק מינרל גבישי מרובה נקבים המשופע בחללים פנימיים הנקשרים על-ידי פתיחת חלון בעל קוטר מאוד מדויק. בעזרת תהליך זה פיתחה כאמור חברת  Totech Supper Dry® יחידות ייבוש ייחודיות בעלות ביצועים חסרי תקדים ביעילות וביכולת ספיחת הלחות מחלל הארון.

בנוסף, Totech EU פיתחה מערכת ייחודית להזרמת אויר המאפשרת הזרמת כמויות אויר גדולות מאוד דרך יחידת הייבוש, תוך שמירה על החלפת אויר אחידה בכל חלל הארון וקבלת הומוגניות בלחות היחסית ובטמפרטורה.

ארונות ייבוש מסדרה XSD 

ארונות הייבוש מסדרה XSD של Totech EU, כוללים את יחידת הייבוש U-5000. היא מספקת לחות יחסית קטנה מ-1% (RH<1%) וזמן ההתאוששות קצר מ-3 דקות מלחות יחסית של 50%. עוצמת הייבוש המשופרת מגבילה את עליית הלחות בפתיחת של 30 שניות לספרה אחת בלבד. כלומר, פתיחת הדלת ל-30 שניות מותירה לחות יחסית של כ-9% בתוך הארון. הארונות בנויים מקירות מבודדים עשויים פלדת אל חלד וזכוכית העומדת בתקני ESD.

הם יכולים לספק פרופיל ייבוש מואץ המגיע למהירות של תהליך הייבוש המסורתי. הארון כולל מערך חימום לטמפרטורה של 60ºC המאפשר פרופיל טמפרטורה קבוע בכל חלל הארון. חמצון, שהיה תמיד המגבלה הגדולה מאוד של תהליך אפיית רכיבים, צומצם למינימום ולמעשה נוטרל לגמרי. בעיות ההרטבה שהיו נוצרות לאחר חימום בטמפרטורה של 125ºC, נעלמו עם פרוצדורת הייבוש החדשה. כמו-כן, השכבה האינטר-מטלית לא גדלה ונותרה ללא שינוי. ראוי לזכור שטמפרטורה של 60ºC שאינה מזיקה לרכיבים הנמצאים בגלילים, מאפשרת ייבוש של רכיבים בגלילים, מבלי לגרום נזק לגליל או לסרט עליו נמצאים הרכיבים.

זמני ייבוש קצרים משיטת האפייה

בניסויים שנעשו עם ארונות הייבוש החדשים מסדרת XSD של חברת Totech EU הוברר שזמני הייבוש בארונות אלו לא רק שאינם ארוכים מהייבוש המסורתי אלא אף קצרים במקרים רבים מהשיטה המסורתית.

סיכום

ארונות XSD של חברת Totech EU (ניתן לראות אותם בתערוכת פרודוקטרוניקה 2013 השבוע במינכן בביתן Hall A3 Booth 140) מרחיבים את יכולות מערך הייצור האלקטרוני  להתמודד עם דרישות תקן IPC/JEDEC J‐STD‐033 ומציעים אלטרנטיבה ידידותית לסביבה וחסכונית בחשמל יחסית לשיטות המסורתיות. אלטרנטיבה המשתלבת במערך התפעול הקיים ללא שינויים ברצפת הייצור. היכולות המשולבות של ייבוש ואחסון רכיבים מציעות דרך נוחה לתקוף בצורה מקיפה ויסודית את הבעיות הטכניות והלוגיסטיות הנוצרות בטיפול ברכיבים ובמעגלים מודפסים נוכח ספיחת לחות.

למידע נוסף: משה לוי, חברת ממטק

• טלפון 054-6366-588
• דוא"ל [email protected]
• בקרו אותנו באתר www.memtech.co.il

 חברת ממטק הינה הנציגה היחידה והבלעדית של חברת Totech EU בישראל

פורסם בקטגוריות: חדשות , ייצור וקבלנות משנה , רכיבים , תעשייה וניהול

כתבות נוספות העשויות לעניין אותך

המהפיכה המשפטית מסכנת את תעשיית ההייטק

אנבידיה מגדילה את מרכז המו"פ בתל אביב

"מפעלים רבים שוקלים להעתיק את הייצור מחוץ לישראל"