Guide de la sensibilité à l'humidité dans les PCB

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Bien que les effets du délaminage puissent être détectés par imagerie thermique et microscopie acoustique, ils ne se manifestent pas toujours sous la forme de symptômes évidents tels que la décoloration et les surfaces cloquées. Dans l'ensemble, il est hautement préférable d'empêcher l'humidité d'atteindre le PCB en premier lieu. Cette protection peut être obtenue grâce à des processus tels que la pré-cuisson et un stockage approprié. La conception du PCB peut également affecter si l'humidité est plus ou moins susceptible d'être un problème. L'un des problèmes les plus troublants avec les cartes de circuits imprimés (PCB) implique la présence d'humidité. Si de l'humidité existe au sein d'un PCB, la déstabilisation provoquée par celle-ci est susceptible d'avoir un effet délaminant sur les éléments de surface. Chaque fois qu'une soudure ou une retouche est appliquée au PCB, le délaminage peut facilement s'étendre en raison de la teneur en humidité.

Comment l'humidité peut affecter un PCB

La présence d'humidité peut entraîner diverses défaillances fonctionnelles sur un PCB, en fonction des composants ou des chemins conducteurs qui entrent en contact avec lui au fur et à mesure que la diffusion s'installe. L'humidité peut s'infecter dans les interfaces de verre époxy, de résine ou de verre et fissurer une carte. Les problèmes couramment associés à l'humidité comprennent des vitesses de circuit ralenties et des temps de retard accrus avec les fonctions d'un dispositif correspondant. Si le problème dépasse une certaine limite, l'appareil peut simplement ne pas s'activer.

Des tests ont été menés qui montrent les effets de l'absorption et de la désorption d'humidité dans les cartes de circuits imprimés. Dans un circuit imprimé avec des trous traversants plaqués de densité variable, les quantités d'humidité piégées ont des taux de désorption différents en fonction de la distance entre chaque trou. Dans les PCB fortement saturés, la désorption peut prendre des centaines d'heures dans des environnements à haute température.

Si un PCB est placé dans un environnement où la pression d'humidité atmosphérique dépasse la résistance de la carte et de ses composants, l'humidité peut pénétrer dans le PCB. Pour éviter que le délaminage dû à l'humidité ne prenne effet sur un PCB, le soudage doit être effectué uniquement à des températures élevées inférieures à 0,1 % d'humidité ou à des températures basses inférieures à 0,2 % d'humidité. La soudure à haute température oscillerait autour de 260 degrés Celsius, tandis que la soudure à basse température se situerait autour de 230 degrés Celsius.

Détecter et éliminer l'humidité

Lorsque des mesures sont effectuées sur la capacité d'un PCB à stocker de l'énergie électrique, un changement de la teneur en humidité peut être détecté à l'intérieur de la carte. Des capteurs capacitifs sont utilisés dans ce processus. Les niveaux de capacité se déplacent en proportion inverse de la densité des trous. Si ce dernier est élevé, le premier est faible car il y a moins de distance entre l'humidité et la surface mais plus d'espace pour que l'humidité s'échappe.

Dans les PCB non PTH, la capacité diminue à un rythme plus rapide. En tant que tel, moins de temps de cuisson est nécessaire pour que ces planches aient un niveau d'humidité suffisamment bas. Sur les panneaux PTH, il y a moins d'espace de surface exposée pour que l'humidité s'échappe.

En raison de l'effet inverse des plans de cuivre sur le processus de désorption, ils doivent être cuits en tenant compte de leur conception. D'une part, vous pouvez évacuer plus efficacement l'humidité d'une carte en exécutant le processus de cuisson pendant de plus longues périodes, mais cela pourrait réduire la soudabilité et la capacité fonctionnelle de la carte. Par conséquent, le temps de cuisson doit être mesuré pour éviter ces éventuels effets secondaires.

Le processus d'élimination de l'humidité ne donne pas toujours des résultats prévisibles. Par exemple, une paire d'avions en cuivre identiques pourrait subir une poussée centrale d'humidité au début de la cuisson, pour se diffuser quelques instants plus tard. Si cette augmentation momentanée d'humidité se produit dans une zone du panneau où le délaminage est le plus probable, cela pourrait être l'effet secondaire involontaire de la cuisson.

Sur certaines planches, l'élimination de l'humidité n'est tout simplement pas possible une fois que l'humidité s'est diffusée à travers plusieurs couches. Par conséquent, il est crucial d'employer des mesures pour empêcher l'humidité de pénétrer dans le panneau pendant le processus initial d'assemblage.

Pourquoi cela arrive-t-il ?

L'une des façons les plus courantes d'exposer les PCB à l'humidité est le contact avec le froid air d'hiver. Par temps froid, il n'y a pas assez de chaleur dans l'air atmosphérique pour absorber l'humidité. En conséquence, le contenu hydraté de l'air est libéré sur les surfaces froides. Si une surface devient plus froide que l'air lui-même, cette surface peut servir d'aimant pour l'humidité libérée ou le condensat. Ce processus est la raison pour laquelle les fenêtres deviennent souvent embuées pendant l'hiver.

Les articles froids placés à proximité de zones de condensation sont également susceptibles d'attirer l'humidité de l'air. Par exemple, un vase placé le long du rebord d'une fenêtre embuée est susceptible de devenir humide avec des gouttelettes d'humidité. Toute surface qui pourrait devenir plus froide que l'air intérieur et contenir de l'eau stagnante peut servir d'aimant, y compris les surfaces des composants informatiques.

Les surfaces internes et externes d'un ordinateur ou d'un périphérique inactif peuvent facilement devenir froides pendant les mois d'hiver. Lorsque les surfaces deviennent plus froides que l'air lui-même, elles attirent l'humidité. Avec les composants internes, le problème peut être exacerbé s'il n'y a pas de trous d'aération permettant à l'humidité de s'échapper. Les PCB, par exemple, peuvent être placés horizontalement à l'intérieur d'un boîtier d'ordinateur, d'un scanner, d'un lecteur vidéo ou d'un appareil stéréo. Pendant les heures de la journée où la maison est vide et où le chauffage et l'électricité sont coupés malgré les basses températures extérieures, ces appareils peuvent servir d'aimants d'humidité.

Au fur et à mesure que l'humidité se diffuse sur les surfaces des PCB et d'autres circuits internes, les appareils peuvent éventuellement ne pas se rallumer. Lorsqu'un appareil est laissé en veille pendant les mois d'hiver et ne s'active pas au printemps, l'humidité intériorisée en est parfois la cause. Étant donné que l'appareil lui-même a été inactif, il n'y a pas eu de génération de chaleur interne dans l'unité pendant la période en question.

Voici d'autres moyens par lesquels l'humidité peut s'accumuler sur les PCB :

• Emballage insuffisant : Les PCB peuvent également entrer en contact avec l'humidité lorsqu'ils sont emballés ou stockés dans des sacs et des armoires insalubres. Si une carte est expédiée dans un emballage insalubre qui n'offre pas de protection contre les conditions ambiantes, l'humidité peut s'infiltrer dans certaines conditions. Dans certains cas, l'humidité se diffusera dans les couches du PCB avant qu'il n'arrive entre les mains du client.
• Assemblage : L'une des façons les plus insaisissables et les plus frustrantes par lesquelles l'humidité peut entrer en contact avec un PCB est lorsque des particules d'eau provenant de l'air ambiant atterrissent sur la carte pendant le processus d'assemblage. Si l'eau atterrit sur la carte elle-même avant le soudage et se diffuse à travers les couches, la carte elle-même peut essentiellement être fabriquée avec un défaut. Même s'il existe des étapes pour éliminer l'humidité, ces mêmes étapes peuvent également exposer davantage le tableau.
• Pâtisserie : L'humidité peut même gonfler à l'intérieur d'une carte pendant le processus le plus courant utilisé pour lutter contre l'humidité des PCB :la cuisson. Alors que l'intention derrière la cuisson est de chauffer les PCB à des niveaux de température qui expulsent l'humidité, les molécules d'humidité intériorisées se dilatent souvent momentanément à mesure que la température augmente à l'intérieur de la carte. Alors que la majeure partie de l'humidité est finalement chassée du PCB, l'expansion momentanée peut provoquer une diffusion irréversible supplémentaire dans la carte.

Normes IPC pour l'humidité

En 2010, les normes IPC pour le contrôle de l'humidité des PCB ont été établies pour remédier à la négligence que ce sujet avait reçue dans le cadre global de la maintenance des PCB. Les cartes à souder revêtues peuvent conserver leur soudabilité pendant de plus longues périodes tant que des mesures sont prises pour empêcher l'humidité de pénétrer dans les cartes. Alternativement, les planches peuvent durer plus longtemps si des étapes appropriées sont utilisées pour diffuser l'humidité.

Selon les directives, la cuisson est une méthode pratique d'élimination de l'humidité des PCB sur laquelle les contrôles de processus préexistants n'ont pas réussi à empêcher l'entrée d'humidité. Cependant, les directives avertissent également que la cuisson entraîne une augmentation des dépenses, un temps de cycle supplémentaire et une diminution de la soudabilité. Le processus de cuisson consiste également en une manipulation supplémentaire, qui peut causer des dommages et contaminer un PCB. Par conséquent, le besoin de cuisson doit être évité autant que possible avec une maintenance préventive lors de l'assemblage, de la manipulation et du stockage des PCB.

Le document met particulièrement en garde contre la cuisson de couches de conservateur de soudabilité organique (OSP) parce que les effets de la cuisson diminuent la finition. Dans le brasage sans plomb, les couches OSP sont courantes en raison des étapes économiques et faciles impliquées dans leur application. Malgré ces avantages, les couches OSP peuvent facilement s'oxyder en raison de la simplicité de la couche de revêtement, qui est la seule chose protégeant la surface de cuivre sous-jacente. Il ne faut que quelques minutes pour que la séparation de la surface et la diffusion de l'humidité se produisent avec une couche OSP.

Les PCB sont souvent expédiés dans des emballages qui les rendent vulnérables à l'absorption d'humidité. Dans de nombreux cas, les PCB sont expédiés dans des sacs en aluminium ou des sacs ESD. Par conséquent, ces panneaux arrivent souvent avec des quantités dangereuses de diffusion d'humidité. S'ils sont stockés dans les emballages après leur réception, les planches pourraient facilement être détruites en quelques mois. Les PCB doivent plutôt être expédiés et stockés dans des sacs étanches à l'humidité (MBB).

Comment prévenir l'humidité dans les PCB

Lors de la fabrication des PCB, le processus de stratification doit être effectué dans un environnement à température contrôlée où le système d'air est régulé avec des agents desséchants desséchants. Il est également crucial de porter des gants neufs à chaque cycle de travail pour éviter la propagation de la contamination entre les différents composants.

Le processus même de laminage des PCB a un effet déshydratant sur le produit fini. C'est au cours de cette étape que les préimprégnés et les noyaux sont mis en place et que les couches sont collées en une seule planche. Certains fabricants appliquent un effet de vide à basse pression lors de cette étape pour éviter les vides internes qui pourraient éventuellement emprisonner l'humidité dans les couches.

Chez certains fabricants de PCB, il est courant de cuire les préimprégnés avant la stratification. Le but ici est d'empêcher la formation de poches d'humidité et de cloques sur la planche finie. Cette étape est particulièrement utile lorsque le préimprégné a passé un certain temps au préalable dans un environnement de stockage non réglementé. Sinon, cette étape n'est généralement pas nécessaire.

L'un des moyens les plus efficaces de prévention de l'humidité dans un PCB est le maillage des plans de cuivre, qui empêchent l'humidité de se déplacer entre les couches ainsi qu'à l'intérieur et à l'extérieur des cartes. Les plans de cuivre maillés servent également de matériau de liaison plus solide entre les couches. Cependant, leur présence dans un PCB peut réduire la capacité électrique de la carte.

Comment éliminer l'humidité des PCB

La principale méthode pour éliminer l'humidité d'un PCB est la cuisson, au cours de laquelle des niveaux élevés de chaleur sont appliqués pour chasser les traces d'humidité incrustées. La cuisson au four est une méthode populaire car les températures élevées sont un moyen efficace d'éliminer l'humidité dans la plupart des contextes. Au fur et à mesure que la chaleur se fraye un chemin à travers les couches soumises à ce traitement, les effets seront généralement profonds et durables. La cuisson est souvent utilisée pendant la phase d'assemblage avant que les PCB ne soient expédiés aux magasins et aux usines d'électronique.

Malgré les effets souvent positifs de la cuisson, le processus peut aussi avoir ses inconvénients. Si un PCB contient de grands plans de cuivre, les concentrations d'humidité peuvent d'abord gonfler pendant le processus de support, provoquant ainsi une délamination. C'est pendant ces secondes de gonflement que la diffusion d'humidité peut se produire. Une fois que cela se produit, le processus d'élimination de l'humidité devient beaucoup plus difficile, voire impossible.

Les PCB peuvent être vidangés de leur humidité lorsqu'ils sont placés dans des enceintes de séchage, qui maintiennent les cartes à des températures idéales avec moins de 0,05 g/m3 de vapeur d'air. Cet environnement crée un effet de vide sur les PCB qui empêche l'humidité de se fixer ou de se diffuser. Les enceintes sèches empêchent également l'oxydation et les développements intermétalliques. Les PCB peuvent être stockés indéfiniment dans des enceintes de séchage avec peu de risque de pourriture.

Il est important que les PCB soient correctement stockés dans des compartiments secs. Lorsqu'ils sont expédiés et gardés en réserve, les PCB doivent être emballés dans des MBB. Les unités de stockage à sec avec de l'air déshumidifié peuvent empêcher l'exposition à l'humidité pendant les semaines ou les mois qu'un PCB attend d'être utilisé dans un ordinateur ou un appareil électronique.

Un PCB contenu dans un appareil actif pourrait éventuellement être en contact avec l'humidité si l'appareil lui-même s'est assis dans un environnement humide. Situé dans une pièce aux fenêtres embuées, un appareil désactivé pourrait facilement avoir des surfaces hydratées à l'intérieur et à l'extérieur, même si le problème n'est pas apparent à l'œil nu. Vous pouvez éviter ce problème en gardant les unités électroniques actives pendant les mois froids et en maintenant des températures intérieures raisonnablement chaudes. Un ordinateur actif, par exemple, générera suffisamment de chaleur interne pour éliminer l'humidité des PCB et autres composants.

Une autre façon de lutter contre l'humidité dans les composants électroniques consiste à asseoir ces appareils en position verticale. Un boîtier d'ordinateur horizontal aura un PCB couché qui pourrait éventuellement héberger de l'humidité stagnante. Dans une tour d'ordinateur, le PCB est situé en position verticale. Lorsque l'objectif est d'éliminer l'humidité par tous les moyens nécessaires, la verticale est préférable à l'horizontale.

Cartes de circuits imprimés de Millennium Circuits Limited

L'absorption d'humidité des PCB est un problème important à reconnaître si vous utilisez des cartes de circuits imprimés pour produits de toute nature. Pour garantir une longue durée de vie de la carte, les précautions de manipulation des PCB doivent être maîtrisées à toutes les étapes de l'assemblage, de la manipulation, de l'expédition, du stockage, de l'installation, de la maintenance et du déplacement.

Chez MCL, nos techniciens sont formés professionnellement à la manipulation sécuritaire des PCB, et nous veillons à ce que chaque PCB expédié de notre emplacement soit envoyé dans un emballage résistant à l'humidité. Pour en savoir plus sur nos PCB, contactez MCL dès aujourd'hui pour recevoir un devis.

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