La fisica di un bobina parziale: perché sigilliamo prima di dormire

Nella produzione elettronica, il componente più pericoloso è spesso quello che è già stato utilizzato. Un bobina sigillata sottovuoto e piena, arrivata da un distributore come Digi-Key o Mouser, è una quantità nota e sicura. Ma nel momento in cui quella guarnizione si rompe e la bobina arriva a un alimentatore, inizia a ticchettare un orologio. Quando la produzione termina e rimane una bobina parziale, come gestisci quell'inventario residuo determina se il prossimo ciclo di produzione fornirà schede funzionanti o costosi scarti.

Non si tratta di ordine in magazzino; è termodinamica.

Quando un dispositivo sensibile all'umidità—ad esempio un BGA o un QFN—rimane esposto all'aria ambiente di un reparto di produzione, il suo rivestimento epossidico igroscopico inizia ad assorbire vapore acqueo. Si comporta come una spugna. Se poi quel componente viene posizionato su una scheda e inviato in un forno di reflow, la temperatura sale a 240°C o 260°C in pochi secondi. L'acqua intrappolata nel packaging di plastica non si riscalda semplicemente; si trasforma in vapore superaffumato. Poiché l'acqua si espande circa 1.600 volte in volume quando si trasforma in vapore, la pressione all'interno di quel piccolo componente diventa esplosiva. Il risultato è il “popcorning”—microcracks interni, delaminazione del die dal quadro di conduzione e guasti dei fili di collegamento. Spesso non puoi vedere questo danno ad occhio nudo, ma la scheda fallirà.

L'unica difesa contro questa fisica è un rigoroso, quasi paranoico protocollo di sigillatura. La borsa barriera all'umidità (MBB) non è solo un imballaggio—è una capsula del tempo.

Il Orologio Cumulativo

Un mito persistente perseguita molti reparti: che l'orologio “Floor Life”—il tempo di esposizione consentito definito da J-STD-033—si resetti nel momento in cui una parte torna in una borsa. È un'illusione pericolosa. L'orologio non si resetta; si ferma semplicemente. Se un componente MSL Livello 3 ha una durata in ambiente di 168 ore e rimane su un alimentatore per 24 ore, ne restano 144. Se viene gettato in una borsa aperta con un sigillo debole per una settimana, continua a diffondersi, seppur più lentamente. Quando viene estratto per il prossimo lavoro, potrebbe essere già stock morto.

Questa realtà determina come gestiamo le bobine parziali nel momento in cui vengono rimosse dalla macchina pick-and-place. La differenza tra “Fine della Produzione” e “Sigillatura sotto vuoto” è la variabile più critica nella conservazione dell'inventario. In un ambiente ad alta umidità—pensate a un'estate nel Midwest dove il livello di umidità relativa è 60%, nonostante il sistema HVAC combatte per la sua vita—l'ingresso di umidità avviene rapidamente. Lasciare una bobina di FPGA di alto valore su un carrello “da imballare più tardi” equivale a decidere di deteriorare volutamente le parti. Il protocollo deve essere immediato: la bobina viene rimossa dalla macchina, il leader viene fissato, e va direttamente alla stazione di sigillatura.

Questa rigidità spesso confonde i clienti che forniscono i propri materiali. Quando riceviamo un kit in conto vendita, spesso dobbiamo rompere i sigilli originali del cliente per verificare i conteggi o caricare gli alimentatori. Una volta fatto, assumiamo il rischio di umidità. Non possiamo semplicemente sigillare di nuovo il sacchetto con del nastro e sperare nel meglio, né possiamo fidarci del confezionamento originale del cliente se è stato compromesso. Resealiamo tutto seguendo i nostri protocolli interni MSL, indipendentemente da come sia arrivato. Se la parte è aperta, l'orologio sta ticchettando, e siamo responsabili di metterlo in pausa.

Le rate di diffusione standard assumono un ambiente specifico, di solito 30°C/60% RH. Mentre una bobina in un'azienda arida dell'Arizona assorbe umidità più lentamente di una in Ohio, affidarsi alla fortuna ambientale non è un processo. Il protocollo deve presumere il peggior scenario possibile per garantire la sicurezza. Se il sigillo sotto vuoto non è abbastanza stretto da mostrare il contorno dei fori di attrazione attraverso il sacchetto, non è un sigillo. È semplicemente un involucro sciolto, e l'orologio sta ancora ticchettando.

La Bugia del Dessecante Riutilizzato

Il punto più debole nel deposito di bobine parziali non è il sacchetto stesso, ma la chimica al suo interno. Le operazioni attente al costo tendono a riutilizzare il sacchetto disidratante fornito con la bobina originale. L'operatore tira fuori la bobina, lascia il sacchetto sul banco, esegue il lavoro, e poi rimetterà lo stesso sacchetto con la bobina parziale.

Quel sacchetto è probabilmente morto.

Disidratante, sia silica gel che argilla montmorillonite, ha una capacità finita di adsorbire l'umidità. Una volta raggiunta la saturazione, smette di funzionare. Diventa una massa inattiva. Mettere una bustina di disidratante saturata in una borsa sigillata è come mettere una roccia nella borsa; non offre alcuna protezione. In effetti, se quella bustina assorbisse umidità da un pavimento di fabbrica umido tutto il giorno, sigillarla all'interno della borsa con i pezzi può effettivamente bloccare l'umidità. in, creando un ambiente umido localizzato proprio accanto ai componenti sensibili.

Utilizziamo un semplice “test della roccia” per i disidratanti di argilla, ma l'unica verifica reale è la Humidity Indicator Card (HIC). Ogni bobina parziale sigillata riceve una bustina di disidratante nuova di zecca e una nuova HIC. Non le riutilizziamo. Il costo di un pacchetto di disidratanti da 4 unità di un venditore affidabile come Clariant si misura in centesimi. Il costo di rifare una scheda con un IC delaminato $500 è enorme. Risparmiare quaranta centesimi rischiando una produzione da quarantamila dollari è una falsa economia.

Occasionalmente, i responsabili degli stabilimenti chiedono se possono usare semplicemente armadi asciutti con azoto invece della sigillatura sottovuoto. Gli armadi asciutti sono ottimi per il Work In Progress (WIP)—parti che verranno riutilizzate entro 48 ore. Ma non puoi spedire un armadio asciutto, e non puoi impilarlo su una mensola del magazzino per sei mesi. Per lo stoccaggio a lungo termine di parziali, il sacchetto sottovuoto è l’unica soluzione praticabile.

Quando una bobina viene prelevata dal magazzino mesi dopo, la HIC è la fonte della verità. È l’unica cosa onesta nel magazzino. Se il punto 10% si è trasformato da blu in rosa, il sigillo è fallito. I pezzi sono sospetti. Nessuna discussione su registri o date di sigillatura supera la chimica della scheda.

L'Erronea delle Cotture

L’argomento “Red Team”—quello che sentiamo sia dai tecnici junior sia dai responsabili sotto pressione di rispettare la schedule—is semplice: “Perché preoccuparsi delle buste? Se i pezzi si bagnano, possiamo semplicemente cuocerli.”

Questa è una comprensione fondamentale sbagliata della produzione elettronica. La cottura non è una fase standard del processo; è una missione di salvataggio per un fallimento già avvenuto. E come molte missioni di salvataggio, comporta danni collateral.

Per eliminare l’umidità da un package in plastica, bisogna riscaldarlo. I profili di cottura standard spesso prevedono 125°C per 24 ore, o temperature inferiori per durate molto più lunghe. Pur rimuovendo l’acqua, accelera anche la crescita degli strati intermetallici tra la lead frame di rame e la placcatura in stagno/prisma o oro. Promuove l’ossidazione sulle superfici di terminazione.

Quando prendi quel componente cotto e cerchi di saldarlo, spesso scopri che i lead si sono ossidati a tal punto che la pasta saldante non li inumidisce più. Hai scambiato un problema di umidità con uno di saldabilità. Potresti non avere il popcorn, ma otterrai giunzioni aperte, difetti di testa-in-cuscino o bagnatura debole che fallisce sul campo. Vediamo questo specificamente con QFN e altri componenti con terminazione inferiore, dove la connessione è puramente chimica.

Per questa ragione, non consideriamo la cottura come un “Piano B” per l’inventario. La consideriamo come un’ultima risorsa per parti maneggiate in modo errato, solitamente da fonti di mercato grigio. Per i nostri parziali, l’obiettivo è di non farli mai vedere all’interno di un forno prima che siano sulla scheda per il reflow. Non elencherò profili di cottura qui perché non voglio incoraggiarne l’uso. Il processo si basa sulla prevenzione, non sulla rimedizione.

La Fisica del Profitto

In definitiva, la disciplina del sigillare le bobine parziali riguarda la protezione del tasso di resa. È un lavoro tedioso. Richiede agli operatori di fermarsi, prendere materiali freschi e aspettare che il sigillatore sottovuoto completï il ciclo. Sembra un momento di inattività.

Ma quando si guarda il P&L di una linea di produzione, quella “inattività” è in realtà un premio assicurativo. Il costo di sigillare correttamente una bobina è circa un dollaro in manodopera e materiali. Il costo di un singolo fallimento sul campo causato da una micro-cracking in un componente sensibile all’umidità può annullare il margine dell’intera produzione. La fisica non si preoccupa delle vostre scadenze, né dei risparmi sui sacchetti di plastica. Rispetta solo la barriera.