17-05
2012

Шкафы сухого хранения на производстве радиоэлектронной аппаратуры

Ольга Хмелевская, директор ООО «Совтест-Техно»

Опубликовано в
«Технологии в электронной промышленности», № 7 за 2011 год.

«Повышайте качество продукции —
снижайте производственные издержки» .

Важнейшим показателем эффективности действующего производства радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), наряду с обеспечением высокого качества выпускаемой продукции, является снижение издержек в производстве.

Виды технологических дефектов, возникающих в процессе оплавления вследствие неправильного хранения элементов и материалов (недопустимые дефекты в соответствии IPC-А-610-Е).

Основным документом, регламентирующим обеспечение условий хранения интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых элементов, является промышленный международный стандарт IPC /JEDEC J-STD 033B «Обращение, хранение, упаковка, транспортировка и использование чувствительных к влажности и пайке оплавлением SMD-компонентов».

Влажность — один из наиболее опасных воздействующих климатических факторов, который ускоряет коррозию материалов, изменяет электрические характеристики диэлектриков, вызывает тепловой распад материалов, гидролиз, рост плесени и другие механические повреждения изделий. Правильно выбранные условия хранения элементов позволяют избежать многих технологических дефектов, возникающих в процессе монтажа изделий радиоэлектронной аппаратуры.

Рис. 1 Шкаф сухого хранения серии Sovtest Dry Box

Микротрещины в корпусах ИМС возникают практически в 100% случаев при хранении ИМС в условиях незащищенной среды. Процесс накопления корпусами микросхем влаги определяется относительной влажностью воздуха, температурой, а также временем хранения, и в зависимости от различных свойств материала и конструкции может привести к повреждениям и отказам. Далее, в процессе автоматизированной пайки, в момент оплавления возникает внутреннее расслоение компонента (эффект попкорна) и появление трещин, как на поверхности, так и внутри корпуса. В дальнейшем это приводит к дефектам узла и полному разрушению компонента.

Рис. 2 Эффект попкорна (недопустимый дефект в соответствии IPC-А-610-Е)
Рис. 3 Микротрещина корпуса ИМС (недопустимый дефект в соответствии IPC-А-610-Е)

Процесс появления микротрещин в корпусе ИМС происходит следующим образом (Таблица 1):
1. Влажность из атмосферного воздуха проникает в корпус ИМС во время хранения или работы.
2. Образовывается конденсат, который с повышением температуры испаряется; внутри корпуса ИМС возникает избыточное давление.
3. В результате действия избыточного давления корпус ИМС деформируется.
4. Деформация корпуса приводит к образованию микротрещин в корпусе ИМС.

Другой распространенный дефект, связанный с нарушением условий хранения компонентов и материалов для производства изделий РЭА, — коррозия печатных плат и насыщение влагой. Это приводит к нарушению паяемости, коррозии внутренних слоев печатных плат и разбрызгиванию припоя (Рис. 3).

Рис. 4 Нарушение паяемости (недопустимый дефект в соответствии IPC-А-610-Е)
Рис. 5 Коррозия внутренних слоев ПП (недопустимый дефект в соответствии IPC-А-610-Е)
Рис. 6 Разбрызгивание припоя (недопустимый дефект в соответствии IPC-А-610-Е)

Для предотвращения появления дефектов, возникновения микротрещин корпусов ИМС и нарушения структуры печатных плат необходимо проводить дополнительную сушку компонентов и плат или хранить компоненты в специальной среде с пониженной влажностью. Обеспечить среду пониженной влажности можно, используя Шкафы сухого хранения Sovtest Dry Box (Таблица 2), которые соответствуют всем необходимым требованиям по хранению и оснащены следующими функциями:
• осушитель;
• цифровая панель управления;
• сигнальный индикатор типа «Светофор», извещающий о превышении заданного уровня влажности;
• звуковой сигнальный индикатор открытой двери;
• регистратор температуры и влажности;
• прецизионная система измерения и контроля влажности;
• антистатическое исполнение.

Условия и методы правильного хранения компонентов. Хранение компонентов при пониженной влажности.

Согласно международному стандарту IPC/JEDEC J-STD-020 °C, все электронные компоненты в негерметичных корпусах подразделяются по степени чувствительности на 8 уровней (Таблица 3). Каждый уровень соответствует определенному виду производства, т. е. условиям хранения, времени термообработки. Большинство ИМС и компонентов поверхностного монтажа должны быть использованы в течение 24 часов после их извлечения из герметичной упаковки, так как вне ее компоненты поглощают влагу из атмосферы, что приводит к появлению технологических дефектов. Если между извлечением из упаковки и пайкой не выдерживается период времени в 24 часа (в некоторых случаях — 4 часа), то необходимо корректировать время термообработки (пайки) или подвергать компоненты восстанавливающему режиму.

В соответствии со стандартом IPC/JEDEC О-STD 033B.1, ИМС должны храниться в шкафах сухого хранения, способных поддерживать относительную влажность равную 10% или 5% для предотвращения поглощения влажности компонентами. При хранении в шкафах с относительной влажностью ниже 5% срок хранения ИМС после извлечения из герметичной упаковки не ограничен; информация о сроках хранения в шкафах с относительной влажностью ниже 10% приведена в Таблице 4.

Методы хранения компонентов

Существует ряд методов хранения для обеспечения сохранности свойств электронных компонентов и материалов. Некоторые из них рассмотрены ниже.

Метод 1. Использование до окончания срока хранения после вскрытия упаковки
В связи с тем, что срок хранения электронных компонентов после вскрытия герметичной упаковки в условиях незащищенной среды является минимальным, возникают следующие издержки:
— комплектующие изделия и материалы для монтажа необходимо закупать в четко спланированном количестве в соответствии с нормами расхода на выпуск продукции;
— минимальные сроки на отработку технологических процессов с использованием комплектующих изделий и печатных плат;
— отсутствие возможности осуществить закупку комплектующих изделий и материалов на склад по оптовым ценам
Данный метод является несовершенным при современном типе производства, когда требуется осуществлять планирование выпуска продукции с глубиной до полугода; также не позволяет производителю приобретать комплектующие изделия и материалы на склад по оптовым ценам.

Вариант 2: Вакуумная упаковка элементов
Суть метода заключается в том, что влагочувствительные компоненты помещаются в герметичный пакет, из которого удаляется воздух; после чего пакет запаивается и компоненты хранятся без доступа внешней среды. После использования компоненты должны быть герметизированы в течение минимального срока, в большинстве случаев время на герметизацию не должно превышать 60 минут.
Однако данный метод требует значительных затрат на расходные материалы (герметичные пакеты, исполнение ESD), влагопоглощающие вещества, вакуумный упаковщик и квалифицированный персонал для его обслуживания. Кроме того, многократное упаковывание элементов является трудоемким процессом, при этом габариты хранимых элементов ограничиваются размерами упаковки.

Вариант 3: Шкаф Sovtest Dry Box (SDB)
Влагочувствительные компоненты помещаются в Шкаф сухого хранения Sovtest Dry Box (SDB) с заранее установленной средой; влажность варьируется в диапазоне от 1 до 50% в зависимости от требуемых условий хранения компонентов. Срок хранения в условиях относительной влажности менее 5% не ограничен. Таким образом, появляется возможность производить монтаж «точно в нужный момент времени» с использованием требуемого количества элементов, которые также могут храниться в катушках, питателях и других габаритных носителях.

Шкаф сухого хранения Sovtest Dry Box (SDB) имеет антистатическое исполнение. В процессе работы оборудования расход электроэнергии минимален, потребляемая мощность — 30 Вт.

Данный метод является оптимальным в условиях современного производства и дает возможность использовать компоненты надлежащего качества в требуемые сроки при минимальных затратах на обеспечение условий хранения. При этом производитель снижает издержки на изготовление продукции за счет приобретения материалов по оптовым ценам. Широкий модельный ряд оборудования позволяет оптимизировать процесс хранения любых типов компонентов и в любых видах носителей, обеспечивая при этом легкий доступ к хранимым материалам.

Шкаф сухого хранения Sovtest Dry Box (SDB) также имеет ряд технических преимуществ:
— может поглощать влажность из компонентов и печатных плат, что предотвращает возникновение технологических дефектов;
— позволяет обеспечивать влажность в заданном диапазоне, диапазон: 1–100%, точность ±1%;
— опционально могут обеспечить дополнительный цикл хранения компонентов с требуемыми режимами влажности и подержания температуры до + 40⁰С;
— удобен в эксплуатации;
— наличие доступа к требуемым элементам в течение короткого времени.

Экономические преимущества от внедрения Шкафов сухого хранения
В результате сравнения трех предложенных методов хранения электронных компонентов были сделаны следующие выводы.

Сравнение вариантов 1 и 3
В случае полного использования имеющихся на складе компонентов производитель сталкивается с проблемой — отсутствие возможности приобретения компонентов на склад, а также приобретение их по розничным ценам. Ниже приведен приблизительный расчет эффективности от внедрения Шкафа сухого хранения на предприятии среднего уровня с учетом разницы на закупку комплектующих по оптовым и розничным ценам (зачастую разница в закупочных ценах оптовой и розничной продукции составляет 1,5–2 раза). Очевидно, что Шкаф сухого хранения позволяет окупить затраты, связанные с его приобретением уже в течение первого (!) года эксплуатации. При этом обеспечивает надлежащие условия хранения в полном соответствии с требованиями международных стандартов.

Оценка экономической эффективности от внедрения Шкафа сухого хранения для рационального хранения комплектующих изделий, закупаемых по оптовым ценам

Сравнение вариантов 2 и 3
Для сравнения были выбраны близкие в ценовой категории Шкаф сухого хранения SDB 702 и вакуумный упаковщик начального уровня. По затратам на приобретение и эксплуатацию обоих видов оборудования в течение года можно говорить о неоспоримом преимуществе Шкафов сухого хранения SDB.

При достаточно частом обращении к определенным элементам, после которого требуется вновь поместить их во влагонепроницаемую среду, возникают расходы, связанные с использованием дорогостоящих расходным материалов, а также необходимость постоянного запаивания пакетов. Наряду с минимальным расходом электроэнергии, Шкафы сухого хранения SDB позволяют исключить затраты и по приобретению дорогостоящих расходных материалов, и по содержанию обслуживающего персонала. Все это делает Шкаф сухого хранения наиболее доступным средством для хранения влагочувствительных компонентов при минимальных затратах на оснащение и эксплуатацию.

Оценка затрат на оснащение производства при использовании для хранения комплектующих изделий Шкафа сухого хранения и Вакуумного упаковщика

Процесс появления микротрещин в корпусе ИМС

Модельный ряд шкафов сухого хранения серии SDB

Модель	SDВ 151 ESD	SDВ 302 ESD	SDВ 702 ESD	SDВ 1106 ESD
Ширина, мм	500			1005
Высота, мм	606	1212	1820
Глубина, мм	560
Масса, кг	77	120	145	230
Технические характеристики
Электропитание		220±20 В, 50 Гц
Значение относительной влажности внутри шкафа		1–50%
Класс защиты		IP55
Исполнение		Антистатическое
*Опция автоматической подачи азота:
Источник азота		Внешний
Требуемое давление азота		6 бар
Диаметр трубки для подключения азота		4 мм
Расход азота		0 — 3 м2/час
Качество азота		Согласно Техническим требованиям к хранимым элементам
*Опция поддержания повышенной температуры:
Температурный диапазон		От температуры окружающей среды до +400С
Антистатическая тара

* Устанавливается на предприятии-изготовителе

Вложение	Размер

Вложение	Размер
СШХ на производстве радиоэлектронной аппаратуры.pdf	487.18 КБ