A física de um carretel parcial: por que selamos antes de dormir

Na fabricação eletrônica, o componente mais perigoso costuma ser aquele que já foi usado. Uma bobina cheia, selada a vácuo, chegando de um distribuidor como Digi-Key ou Mouser é uma quantidade segura e conhecida. Mas o momento em que esse selo se rompe e a bobina entra em um alimentador, um relógio começa a contar. Quando a produção termina e sobra uma bobina parcial, como você lidá-la determina se a próxima rodada de produção resultará em placas funcionais ou sucata cara.

Não se trata de organização no armazém; é termodinâmica.

Quando um dispositivo sensível à umidade — digamos, um BGA ou um QFN — fica exposto ao ar ambiente de uma linha de produção, seu encapsulante de epóxi higroscópico começa a absorver vapor de água. Ele atua como uma esponja. Se esse componente for posteriormente colocado em uma placa e enviado através de um forno de refluxo, a temperatura sobe para 240°C ou 260°C em segundos. A água presa dentro do pacote plástico não só aquece, ela se transforma em vapor superaquecido. Como a água expande aproximadamente 1.600 vezes em volume ao se transformar em vapor, a pressão dentro desse componente diminuto se torna explosiva. O resultado é “pipocamento”—microfissuras internas, delaminação do díe da armação do pino, e falhas nos fios de ligação. Muitas vezes, você não consegue ver esses danos a olho nu, mas a placa vai 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 uma embalagem — é uma cápsula do tempo.

O Relógio Acumulativo

Um mito persistente assombra muitas linhas de produção: que o relógio de “Vida útil no piso” — o tempo de exposição permitido definido pelo J-STD-033 — reinicia no momento em que uma peça volta para a bolsa. Isso é um pensamento desejável perigoso. O relógio não reinicia; ele simplesmente pausa. Se um componente nível 3 do MSL tiver uma vida útil no piso de 168 horas e ficar em um alimentador por 24 horas, ainda terá 144 horas restantes. Se for colocado em uma bolsa solta com um selo fraco por uma semana, a difusão continua, embora mais lentamente. Quando for retirado para a próxima tarefa, pode já ser estoque morto.

Essa realidade dita como lidamos com bobinas parciais assim que elas saem da máquina de montagem. 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 o piso da fábrica atinge 60% HR, apesar do HVAC lutar por sua vida — a entrada de umidade acontece rapidamente. Deixar uma bobina 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: a bobina é retirada da máquina, o líder é fixado, e ela 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. Uma vez feito isso, assumimos o risco de umidade. Não podemos simplesmente tampar a bolsa com fita e esperar o melhor, nem podemos confiar na embalagem original do cliente se ela tiver sido comprometida. Re sellamos tudo de acordo com nossos protocolos internos de MSL, independentemente de como chegou. Se a peça estiver aberta, o relógio está correndo e somos responsáveis por pausá-lo.

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

A Mentira do Dessecante Reutilizado

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

Aquele pacote provavelmente está morto.

Dessecante, seja gel de sílica ou argila de montmorilonita, possui uma capacidade finita de adsorver umidade. Uma vez que atinge a saturação, ela para de funcionar. Torna-se uma massa inerte. Colocar um pacote de dessecante saturado em uma bolsa selada é como colocar uma pedra na bolsa; ela fornece proteção zero. Na verdade, se esse pacote absorveu umidade do chão úmido de uma fábrica durante o dia, selá-lo dentro da bolsa com as peças pode na verdade prender a umidade em, criando um ambiente úmido localizado bem ao lado dos componentes sensíveis.

Empregamos 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 novo e fresco 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 instalações perguntam se podem usar apenas gabinetes de nitrogênio secos em vez de selagem a vácuo. Gabinetes secos são excelentes para Trabalho em Progresso (WIP)—peças que serão usadas novamente dentro de 48 horas. Mas você não pode enviar um gabinete seco, e não pode empilhá-lo numa prateleira de armazém por seis meses. Para armazenamento de longo prazo de partes parciais, a bolsa 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% virar de azul para rosa, a vedação falhou. As peças estão sob suspeita. Nenhum argumento sobre livros de registros ou datas de vedação substitui a química do cartão.

A Falácia da Panificação

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

Esta é uma compreensão fundamental incorreta da fabricação de eletrônicos. Assar não é uma etapa padrão do processo; é uma missão de resgate para uma falha que já ocorreu. E como a maioria das missões de resgate, vem com danos colaterais.

Para remover a umidade de uma embalagem de plástico, você precisa aquecê-la. Perfis padrão de assamento frequentemente 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 o quadro de cobre e o revestimento de estanho/prata. Isso promove a oxidação nas superfícies de terminação.

Quando você pega essa peça assada e tenta soldá-la, muitas vezes descobre que os terminais oxidaram a ponto de a pasta de solda não molhar. Você trocou um problema de umidade por um problema de soldabilidade. Você pode não ter estouro de bolhas, mas terá juntas abertas, defeitos cabeça-em-colchão ou molhamento fraco que falha no campo. Vemos isso especificamente com QFNs e outros componentes terminais inferiores onde a conexão é puramente química.

Por essa razão, não discutimos o assamento como um “Plano B” para o estoque. Nossos pontos de vista é que o assamento é uma última tentativa para peças que foram manuseadas incorretamente, geralmente de fontes do mercado cinza. Para nossas próprias partes parciais, o objetivo é nunca deixá-las ver o interior de um forno até que estejam na placa para reflow. Não listarei perfis de assamento aqui porque não quero incentivar seu uso. O processo depende da prevenção, não da remediação.

A Física do Lucro

Por fim, a disciplina de selar bobinas parciais é sobre proteger a taxa de rendimento. É trabalho tedioso. Exige que operadores parem o que estão fazendo, peguem materiais novos e aguardem o ciclo do selador a vácuo. Parece um tempo de inatividade.

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