A Física de um Bobina Parcial: Por que selamos antes de dormir

Na fabricação de eletrônicos, o componente mais perigoso costuma ser aquele que já foi usado. Um rolo cheio, vedado a vácuo, vindo de um distribuidor como Digi-Key ou Mouser, é uma quantidade conhecida e segura. Mas o momento em que esse selo se rompe e o rolo entra em um alimentador, um relógio começa a contar. Quando a produção termina e sobra um rolo parcial, a forma como você lida com esse inventário remanescente determina se a próxima produção resultará em placas funcionais ou sucata cara.

Isso não é sobre organização do estoque; é termodinâmica.

Quando um dispositivo sensível à umidade — digamos, um BGA ou QFN — fica exposto ao ar ambiente de uma linha de produção, seu encapsulante epóxi higroscópico começa a absorver vapor de água. Ele age como uma esponja. Se esse componente for colocado posteriormente em uma placa e passar por um forno de reflorestamento, a temperatura sobe para 240°C ou 260°C em segundos. A água presa dentro do pacote de plástico não apenas esquenta; ela se transforma em vapor superaqueecido. Como a água se expande aproximadamente 1.600 vezes em volume ao virar vapor, a pressão dentro desse pequeno componente torna-se explosiva. O resultado é 'popcorning' — micro-fissuras internas, delaminação do díe do quadro de condução e falhas nos fios de ligação. Você muitas vezes não consegue ver esse dano a olho nu, mas a placa irá falhar.

A única defesa contra essa física é um protocolo rigoroso de vedação, quase paranoico. A bolsa de barreira de umidade (MBB) não é apenas embalagem — é uma cápsula do tempo.

O Relógio Cumulativo

Um mito persistente assombra muitas linhas de produção: que o relógio de 'Vida em Piso' — o tempo de exposição permitido definido pela J-STD-033 — reinicia no momento em que uma peça volta para uma bolsa. Isso é uma ilusão perigosa. O relógio não reinicia; apenas faz uma pausa. Se um componente de Nível MSL 3 tiver uma vida de piso de 168 horas e ficar em um alimentador por 24 horas, ele terá 144 horas restantes. Se for jogado em uma bolsa solta com um selo fraco por uma semana, a difusão continua, embora mais lentamente. Quando for retirado para o próximo trabalho, pode já estar em estoque morto.

Essa realidade determina como lidamos com rolos parciais assim que eles saem da máquina de colocação. A diferença entre 'Fim da Corrida' e 'Vedação a Vácuo' é a variável mais crítica na preservação do estoque. Em um ambiente de alta umidade — pense em um verão no Meio-Oeste onde a umidade do piso atinge 60% apesar do HVAC lutando por sua sobrevivência — a entrada de umidade acontece rapidamente. Deixar um rolo de FPGAs de alto valor em um carrinho 'para ser embalado depois' é basicamente decidir degradar as peças de propósito. O protocolo deve ser imediato: o rolo sai da máquina, a liderança é fixada, e ele vai direto para a estação de vedação.

Essa rigidez muitas vezes confunde clientes que fornecem seus próprios materiais. Quando recebemos um kit consignado, muitas vezes temos que quebrar os selos originais do cliente para verificar contagens ou carregar alimentadores. Assim que isso acontece, assumimos o risco de umidade. Não podemos simplesmente vedar a bolsa com fita e esperar o melhor, nem podemos confiar na embalagem original do cliente se ela tiver sido comprometida. Refechamos tudo de acordo com nossos protocolos internos de MSL, independentemente de como chegou. Se a peça estiver aberta, o relógio está ticando, e somos responsáveis por pausá-lo.

Taxas de difusão padrão assumem um ambiente ambiente específico, geralmente 30°C/60% de UR. Enquanto um rolo em uma instalação seco na Arizona absorve umidade mais lentamente do que um em Ohio, confiar na sorte ambiente não é um processo. O protocolo deve assumir o pior cenário possível para garantir a segurança. Se a vedação a vácuo não for apertada o suficiente para mostrar o contorno dos orifícios de engrenagem através da bolsa, não é uma vedação. É apenas um embrulho solto, e o relógio ainda está correndo.

A Mentira do Dessicante Reutilizado

O ponto de falha mais comum no armazenamento de rolos parciais não é a bolsa em si, mas a química dentro dela. Operações conscientes de custos têm a tendência de reutilizar o sachê de dessicante que veio com o rolo original. O operador retira o rolo, joga o sachê na bancada, executa o trabalho, e depois joga esse mesmo sachê de volta com o rolo parcial.

Esse sachê provavelmente está morto.

Dessecante, seja sílica gel ou argila de montmorillonita, tem uma capacidade finita de adsorver umidade. Uma vez saturada, ela para de funcionar. Ela se torna uma massa inerte. Colocar um pacote de dessecante saturado em uma sacola selada é como colocar uma pedra na sacola; ela oferece proteção zero. Na verdade, se esse pacote absorveu umidade de um chão de fábrica úmido o dia todo, selá-lo dentro da sacola com as peças pode, na verdade, prender a umidade. em, criando um ambiente úmido localizado ao lado dos componentes sensíveis.

Usamos um simples “teste de pedra” para dessecantes de argila, mas a única verificação real é o Cartão Indicador de Umidade (HIC). Cada bobina parcial que selamos recebe um pacote de dessecante novinho em folha e um HIC novo. Não os reutilizamos. O custo de um pacote de dessecante de 4 unidades de um fornecedor confiável como a Clariant é medido em centavos. O custo de retrabalhar uma placa com um CI delaminado $500 é enorme. Economizar quarenta centavos para arriscar uma produção de quarenta mil dólares é uma falsa economia.

Ocasionalmente, gerentes de instalação perguntam se podem usar apenas armários secos de nitrogênio ao invés de selagem a vácuo. Armários secos são excelentes para Trabalho em Andamento (WIP)—peças que serão usadas novamente dentro de 48 horas. Mas você não pode enviar um armário seco, e não pode empilhá-lo em uma prateleira de armazém por seis meses. Para armazenamento de longo prazo de partes parciais, a sacola a vácuo é a única solução viável.

Quando uma bobina é retirada do estoque meses depois, o HIC é a fonte da verdade. É a única coisa honesta no armazém. Se o ponto 10% virou de azul para rosa, a vedação falhou. As peças estão suspeitas. Nenhuma argumentação sobre livros de registros ou datas de selagem substitui a química do cartão.

A Falácia da Panificação

O argumento do 'Time Vermelho'—aquele que ouvimos de técnicos juniores e gerentes pressionados pela programação—é simples: “Por que se preocupar com sacos? Se as peças ficarem molhadas, podemos simplesmente assá-las.”

Este é um entendimento fundamental errado sobre fabricação de eletrônicos. Assar não é uma etapa padrão do processo; é uma missão de resgate para uma falha que já ocorreu. E como na maioria das missões de resgate, vem com danos colaterais.

Para remover a umidade de um pacote plástico, é preciso aquecê-lo. Perfis de assamento padrão muitas vezes pedem 125°C por 24 horas, ou temperaturas mais baixas por períodos muito mais longos. Embora isso remova a água, também acelera o crescimento de camadas intermetálicas entre a moldura de cobre e o revestimento de estanho/prata ou ouro. Promove a oxidação nas superfícies de terminação.

Quando você pega essa peça assada e tenta soldá-la, muitas vezes encontra os terminais oxidados ao ponto de a pasta de solda não molhar. Você trocou um problema de umidade por um problema de soldabilidade. Você pode não obter estalos de pipoca, mas terá juntas abertas, defeitos de cabeçote-pilha ou molhamento fraco que falham no campo. Vemos isso especificamente com QFN e outros componentes de terminação inferior, onde a conexão é puramente química.

Por essa razão, não discutimos assar como um 'Plano B' para inventário. Consideramos assar como uma última alternativa para peças manuseadas de forma inadequada, geralmente de fontes do mercado cinza. Para nossas próprias partes parciais, o objetivo é nunca deixá-las ver interior de um forno até estarem na placa para reflow. Não listarei perfis de assamento aqui porque não quero incentivar seu uso. O processo depende de prevenção, não de remediação.

A Física do Lucro

Em última análise, a disciplina de selar bobinas parciais é sobre proteger a taxa de rendimento. É um trabalho cansativo. Exige que operadores parem o que estão fazendo, busquem materiais novos e aguardem o ciclo do selador a vácuo. Parece um tempo de inatividade.

Mas quando você observa o P&L de uma linha de fabricação, esse 'tempo de inatividade' é na verdade uma taxa de prêmio de seguro. O custo de selar uma bobina corretamente é aproximadamente um dólar em mão de obra e materiais. O custo de uma única falha em campo causada por uma microtrinca em um componente sensível à umidade pode eliminar a margem de toda a produção. A física não se importa com seu prazo, e não se importa com suas economias em sacos plásticos. Ela respeita apenas a barreira.