La física de un carrete parcial: por qué sellamos antes de dormir

En la fabricación de electrónica, el componente más peligroso suele ser el que ya ha sido usado. Un carrete lleno y sellado al vacío que llega de un distribuidor como Digi-Key o Mouser es una cantidad conocida y segura. Pero en el momento en que esa selladura se rompe y el carrete entra a un alimentador, empieza a contar el reloj. Cuando la producción termina y queda un carrete parcial, la forma en que manejes ese inventario sobrante determinará si la próxima tanda produce placas funcionales o chatarra costosa.

Esto no se trata de orden en el almacén; es termodinámica.

Cuando un dispositivo sensible a la humedad —digamos, un BGA o un QFN— queda expuesto al aire ambiental de una planta de producción, su encapsulante de epoxi higroscópico comienza a absorber vapor de agua. Actúa como una esponja. Si ese componente se coloca después en una placa y pasa por un horno de reflujo, la temperatura se dispara a 240°C o 260°C en segundos. El agua atrapada dentro del paquete de plástico no solo se calienta; se vaporiza en vapor supercalentado. Dado que el agua se expande aproximadamente 1,600 veces en volumen cuando se convierte en vapor, la presión dentro de ese diminuto componente se vuelve explosiva. El resultado es “popcorning”: micro-cracks internos, delaminación del dado del marco de plomo y fallos en los alambres de unión. Muchas veces no puedes ver estos daños con el ojo desnudo, pero la placa fallará.

La única defensa contra esta física es un protocolo de sellado riguroso, casi paranoico. La bolsa barrera de humedad (MBB) no es solo envase—es una cápsula del tiempo.

El Reloj Acumulativo

Un mito persistente acecha muchas líneas de producción: que el reloj de “Vida en Planta”—el tiempo de exposición permitido definido por J-STD-033—se reinicia en el momento que una pieza vuelve a una bolsa. Eso es una ilusión peligrosa. El reloj no se reinicia; simplemente se pausa. Si un componente de Nivel 3 MSL tiene una vida en planta de 168 horas y permanece en un alimentador durante 24 horas, le quedan 144 horas. Si se arrojara en una bolsa suelta con un sello débil durante una semana, la difusión continúa, aunque más lentamente. Cuando salga para el siguiente trabajo, ya podría ser stock muerto.

Esta realidad dicta cómo manejamos los carretes parciales en cuanto salen de la máquina de colocación. La diferencia entre “Fin de Lote” y “Sellado al Vacío” es la variable más crítica para la conservación del inventario. En un ambiente de alta humedad—piensa en un verano en Medio Oeste donde el ambiente en la planta alcanza un RH del 60%, a pesar de que el HVAC lucha por sobrevivir—la entrada de humedad sucede rápidamente. Dejar un carrete de FPGAs de alto valor en un carrito “para empacar después” es básicamente decidir degradar las piezas a propósito. El protocolo debe ser inmediato: el carrete sale de la máquina, se asegura el líder, y va directo a la estación de sellado.

Este rigor a menudo confunde a clientes que suministran sus propios materiales. Cuando recibimos un kit en consignación, muchas veces tenemos que romper los sellos originales del cliente para verificar cuentas o cargar alimentadores. Una vez hecho esto, asumimos el riesgo de humedad. No podemos simplemente cerrar la bolsa con cinta y esperar lo mejor, ni confiar en el empaque original del cliente si ha sido comprometido. Volvemos a sellar todo según nuestros protocolos internos de MSL, independientemente de cómo haya llegado. Si la pieza está abierta, el reloj está en marcha y somos responsables de pausarlo.

Las tasas de difusión estándar suponen un entorno ambiente específico, generalmente 30°C/60% RH. Mientras un carrete en una instalación muy seca en Arizona absorbe humedad más lentamente que uno en Ohio, confiar en la suerte ambiental no es un proceso. El protocolo debe asumir el peor escenario para garantizar la seguridad. Si el sellado al vacío no es lo suficientemente apretado para mostrar el contorno de los orificios de engranaje a través de la bolsa, no es un sellado. Solo es un envoltorio suelto, y el reloj todavía corre.

La Mentira del Secado Reutilizado

El punto de fallo más común en el almacenamiento de carretes parciales no es la bolsa en sí, sino la química dentro de ella. Las operaciones con conciencia de costo tienden a reutilizar el paquete desecante que vino con el carrete original. El operador saca el carrete, deja el paquete en el banco, realiza el trabajo y luego vuelve a poner ese mismo paquete en el carrete parcial.

Es probable que ese paquete esté muerto.

Desecante, ya sea gel de sílice o arcilla de montmorillonita, tiene una capacidad finita de absorber la humedad. Una vez que alcanza la saturación, deja de funcionar. Se convierte en una masa inerte. Poner un paquete de desecante saturado en una bolsa sellada es como poner una piedra en la bolsa; no proporciona protección alguna. De hecho, si ese paquete absorbió humedad de un piso de fábrica húmedo todo el día, sellarlo dentro de la bolsa con las piezas puede en realidad bloquear la humedad. en, creando un ambiente húmedo localizado justo al lado de los componentes sensibles.

Empleamos una simple 'prueba de roca' para desecantes de arcilla, pero la única verificación real es la Tarjeta Indicadora de Humedad (HIC). Cada carrete parcial que sellamos recibe un paquete de desecante nuevo y fresco y una HIC fresca. No los reutilizamos. El costo de un paquete de 4 unidades de desecante de un proveedor respetable como Clariant se mide en centavos. El costo de rehacer una placa con un IC $500 deslaminado es enorme. Ahorrar cuarenta centavos para arriesgar una producción de cuarenta mil dólares es una falsa economía.

Ocasionalmente, los gerentes de instalaciones preguntan si pueden usar solo armarios secos de nitrógeno en lugar de sellado al vacío. Los armarios secos son excelentes para el Trabajo en Progreso (WIP)—piezas que serán usadas nuevamente en 48 horas. Pero no puedes enviar un armario seco, y no puedes apilarlo en una estantería del almacén durante seis meses. Para almacenamiento a largo plazo de partes parciales, la bolsa al vacío es la única solución viable.

Cuando un carrete se extrae del inventario meses después, la HIC es la fuente de verdad. Es lo único honesto en el almacén. Si el punto 10% se ha vuelto de azul a rosa, la selladura ha fallado. Las piezas son sospechosas. Ninguna cantidad de discusión sobre libros de registro o fechas de sellado anula la química de la tarjeta.

La Falacia de la Repostería

El argumento del 'Equipo Rojo', el que escuchamos tanto de técnicos jóvenes como de gerentes presionados por el cronograma, es simple: '¿Por qué preocuparse por las bolsas? Si las piezas se mojan, simplemente las horneamos'.

Esto es un malentendido fundamental de la fabricación de electrónica. Hornear no es un paso estándar del proceso; es una misión de rescate para una falla que ya ha ocurrido. Y como la mayoría de las misiones de rescate, viene con daños colaterales.

Para sacar la humedad de un paquete plástico, hay que calentarla. Los perfiles estándar de horneado suelen indicar 125°C durante 24 horas, o temperaturas más bajas durante períodos mucho más largos. Aunque esto elimina el agua, también acelera el crecimiento de capas intermetálicas entre el marco de plomo de cobre y el estañado/aleado o el dorado. Promueve la oxidación en las superficies de terminación.

Cuando tomas esa pieza horneada y tratas de soldarla, a menudo descubres que los pines se han oxidado tanto que la pasta de soldar no moja. Has cambiado un problema de humedad por un problema de soldabilidad. Puede que no ocurra el popcorn, pero sí obtendrás juntas abiertas, defectos de cabeza en almohadilla o mojado débil que falla en el campo. Vemos esto específicamente en QFNs y otros componentes de terminación inferior donde la conexión es puramente química.

Por esta razón, no discutimos el horneado como un 'Plan B' para inventario. Consideramos el horneado como un último recurso para piezas que han sido mal manejadas, usualmente de fuentes del mercado gris. Para nuestras partes parciales, el objetivo es nunca dejar que vean el interior de un horno hasta que estén en la placa para el reflujo. No listaré perfiles de horneado aquí porque no quiero fomentar su uso. El proceso se basa en la prevención, no en la remediación.

La Física de la Ganancia

En última instancia, la disciplina de sellar carretillas parciales consiste en proteger la tasa de rendimiento. Es un trabajo tedioso. Requiere que los operadores detengan lo que están haciendo, busquen materiales frescos y esperen a que el sellador de vacío complete su ciclo. Se siente como tiempo de inactividad.

Pero cuando miras el P&L de una línea de fabricación, ese 'tiempo de inactividad' es en realidad una prima de seguro. El costo de sellar un carrete correctamente es aproximadamente un dólar en mano de obra y materiales. El costo de una sola falla en campo causada por una microfisura en un componente sensible a la humedad puede eliminar el margen de toda la tanda. La física no se preocupa por tu fecha límite, ni por tus ahorros en bolsas plásticas. Solo respeta la barrera.