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符合j-std-033标准的湿度敏感器件用干燥箱的选型问题
发布时间:2020-07-04   点击次数:947次

1、干燥箱的应用和选型不当存在的问题。
潮湿气体会透过封装材料及元器件的接合面进入到ic器件的内部,造成内部电路氧化腐蚀短路,以及组焊接过程中的高温会使进入ic内部的潮湿气体受热膨胀产生压力,使塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、内部裂纹和延伸到元件表面的裂纹,甚至发生元件鼓胀和爆裂,又称为“爆米花",这将导致组装件返修甚至报废。更为重要的是那些看不见的、潜在的缺陷会溶入到产品中去,使产品的可靠性出现问题。而非ic类电子元件,也存在潮湿的危害问题。
     潮湿对电子元器件的危害,已成为一项非常严峻的事情,随着潮湿敏感性元件使用的增加,诸如薄的密间距元件和球栅阵列,这个问题就越严重,对电子企业的品管提出了严重的挑战。
为此,美国电子工业联合会(ipc)和电子元件焊接工程协会(jedec)之间共同研究制定和发布了 ipc-m-109, 潮湿敏感性元件标准和指引手册,对电子产品的防潮除湿问题提出和制定了标准,并成为全球电子工业遵循的标准。
在ipc-m-109中的ipc/jedec j-std-033 潮湿/回流敏感性smd的处理、包装、装运和使用标准中,对在在潮湿空气之中暴露过的ic,制定了将其放置在rh10%干燥箱中,以恢复ic寿命的规定。于是各电子企业纷纷计划购买能将箱内湿度控制在rh10%以下的常温自动干燥箱(又称干燥柜、电子干燥箱等名称)。因此对这种产品的选型问题,就提上了桌面。
    由于这种常温自动干燥箱属新兴产品,一般用户对其情况不了解,而易被产品的价格和外观等表面显现左右,或易受推销者的诱导,因此在选型上往往难以正确选取。事实上国内各地已有不少用户在购买后经使用感到产品不尽如人意,并集中表现在以下几个方面:
1, 除湿时间长。从rh70-80%左右的室内湿度将到rh10%以下快的要7-4小时以上,慢的3-5天,甚
至10天半月之久,有的就始终湿度下不来。
2, 当达到rh10%以后,一旦开门取放物品,室内高湿度空气进入箱内,干燥箱却并不能立即开始除湿,
而是要经过长达约2小时以上的不除湿的“预运行"后,才开始除湿,运行一段时间后又进入不除湿的“预运行"阶段,如此反复,经长时间的除湿才能又降到rh10%。这对用户的使用极不方便。迫于无耐,有些用户只有调整生产节奏来适应干燥箱的节奏,或者只有不常用的才放进去作为存储型使用。而对于想将干燥箱做工具使用的用户,就达不到购买目的。
3, 产品寿命和可靠性问题。有些产品短的才使用几个月,长的使用两三年就陆续除湿不除湿的故障。
而有些产品使用已长达10年以上,却仍然工作正常没有故障。
4, 抗静电问题。有些产品无抗静电措施,导致ic受静电损坏。
    根据上述问题存在的原因,有必要对常温自动干燥箱这类产品的结构进行分析,找出问题的所在,为用户产品选型提供科学的决策依据。

2、常温自动干燥箱的结构和种类
目前,可以称为电子干燥柜、电子干燥箱等名称的“常温自动干燥箱",其除湿原理有制冷式和水分物理分解排除式两大类。其中,制冷式干燥箱采用半导体制冷片通过将空气中的水分冷凝结露后排除。国内产品有珠海生产的“惠通"和重庆生产的“活士"牌。由于制冷式干燥箱不能将湿度降到ipc/jedec j-std-033标准所规定的rh10%以下,因此不在本文讨论之例。
水分物理分解排除式干燥箱,在中国zui早始见于卡特曼(成都)电子集团的产品,卡特曼还获得了中国授权。几年后珠海“万得福"、台湾“收藏家"开始效仿,近三四年来,又有一些厂家陆续跟进效仿。而随着ipc/jedec j-std-033标准的实施,常温自动干燥箱近年开始在电子行业使用并日渐扩展。
水分物理分解排除式干燥箱常温自动干燥箱是机电一体化产品,根据其机械动作产生的动力源,分为记忆合金驱动和微电机驱动两大类。其动力的用途是驱动干燥箱除湿排潮门的开闭,以实现将箱内湿气排到箱外的目的。而排潮门能否长期可靠实现开闭功能,是涉及干燥箱产品寿命和可靠性及存放物品的安全性的zui重要的关键因素。
 所谓记忆合金,就是在金属材料中添加一些镍钛合金成分,再拉丝制成螺旋状成为弹簧。将记忆合金弹簧放进带加热器件的铝管内,再与复位拉簧和拉竿组成连竿运动机构.加热器通电加热,于是记忆合金弹簧受热缩短,逐渐产生拉力,在数分钟到十余分钟左右将除湿器的排潮门拉开排潮。在经数十分钟的排潮后,加热器断电降温,记忆合金弹簧降温冷却并被复位簧拉长复原,使除湿器的排潮门关闭,除湿器对箱内空气进行干燥。如此来回反复,达到除湿目的。
 记忆合金材料问世虽已有一、二十年, 但目前科学界对其研究和认识仍还远远不足。虽已知温度变化可致使金属晶相在马氏体与奥氏体相互转变过程中会产生某种记忆效应, 但对其原理机制仍未搞清, 很多环节还不能用科学的方法让其重复性再现, 至今仍有很多未解的密。 因此记忆合金材料目前还只处以初步应用阶段, 世界各国至今都还没有关记忆合金的国家或国际标准。
 以现在的技术水平, 记忆合金材料还存在很多问题。主要是其特性受时间和环境因素影响极大。往往不明原因就出现丧失记忆功能,即发生不能动的情况。作为驱动除湿器排潮门的动力源, 可靠性不太高。zui易产生的故障就是使用一段时间后,干燥箱除湿器排潮门就可能突然不能打开,导致防潮箱不能除湿。或行程不足半开半闭, 使箱内外空气相通,导致箱内湿度上升。特别是在开门取放物品频率高的产品上,记忆合金弹簧频繁缩短伸长,大大加快了疲劳老化进程。这个问题,目前尚无法克服,这也是一些产品寿命短和可靠性低的根本原因。采用记忆合金驱动的产品还存在一个问题,就是记忆合金弹簧受温度控制产生行程是缓慢缩短或伸长形成的。冬季开门慢,夏季关门慢,动作行程完成的时间根据环境气温,大约在数分钟到十余分钟之间。也就是排潮门的开闭运动过程的时间要长达数分钟到十余分钟,而在这么长时间的半开半闭状态下,箱外的高湿度空气就会侵入箱内向箱内加湿。因此加重了除湿工作量和记忆合金弹簧的负担,也降低了除湿速度。
采用微电机驱动的产品就是为解决记忆合金弹簧在寿命和可靠性上的缺陷而设计。按除湿器永不停机的极限工作量,每天开闭排潮门6次来回12个行程计算,每个行程电机转动约5秒钟,一天转动时间合一分钟,一年合计转动一小时,10年10小时。而电机的寿命低的以千小时论,高的以万小时论,因此采用微电机驱动的干燥箱使用十年以上无故障就很正常。因而寿命长,可靠性极高。由于开关门的动作在几秒钟内就完成,因此不存在箱外的高湿度空气侵入箱内问题,与记忆合金相比,除湿速度更快。
卡特曼早期的产品采用记忆合金作为动力源,后来发现记忆合金的问题后又改为微电机作为动力源,但zui近一年以来由处于市场低价竞争的需要,卡特曼在某些产品上又开始采用复记忆合金作为动力源。而其它各效仿厂家的产品一直仍采用记忆合金作为动力源。因此,目前市售常温自动干燥箱, 是采用记忆合金的产品和采用微电机驱动的产品并存。
水分物理分解排除式干燥箱除湿的过程是,当湿度传感器检测到箱内湿度高于用户控制设定的要求时,
通过控制执行机构启动除湿工作,首先,向除湿器内干燥盒内的电热元件供电加热,并同时驱动开放排潮门, 使干燥盒已有的水分蒸发为气态,通过排潮门逸出排到箱外。经数十分钟排潮后,定时计数完毕,停止供电,进入降温阶段。降温时间除湿器大小,各厂机型不同和冬夏气温不同而有差异。约在数十分钟至一个小时左右。在加热和降温时间段除湿器是不除湿的。这两个阶段合并又称为“预运行"阶段,时间约在一个半到两个小时左右。当降温完毕,排潮门自动对外关闭,使干燥盒对箱内开放,即进入干燥时间短。随着干燥时间过程的进行,箱内空气水分不断转移到干燥盒内,箱内湿度就不断降低。当干燥过程进行到一定的时间,除湿器排潮门又自动对内关闭,对外开放,加热器加热,水分排出。。。。。。如此周而复始,直到箱内湿度达到用户控制设定的值,则干燥箱进入停机待命状态。一旦箱因开门或自然渗透等因素使箱内湿度上升超过用户控制设定值,则又从头开始循环。干燥时间过程,根据各厂机型不同,除湿器大小不同,湿度要求不同而有差异,大致在1-3个小时左右。用“预运行"时间和除湿时间进行比较,可类产品约有1/3到1/2左右的时间不能除湿。因此,此类干燥方式的机型属间隙式除湿机型。根据不同厂家的产品,空箱测试,从rh70%左右的室内湿度降到rh10%以下,快的要7-4小时以上,慢的3-5天,甚至达10天半月之久的也有。总而言之,此类产品除湿速度较慢。
此外,卡特曼新近还投产有一种连续除湿机型。这种机型工作时没有不除湿的“预运行"过程,随时都处于除湿状态。除湿速度快,是卡特曼的*生产的产品。
市售符合ipc/jedec j-std-033标准的干燥箱,属于间隙除湿式的机型,有一定影响的目前主要有卡特曼公司的“卡特曼(carteman) ssd系列"产品;汉唐公司的“高强(dr.storage)sdx,xde和美阳hde系列"产品,江苏昆山干博士公司的“德洋cmt l(a)系列"产品。也曾有江苏昆山“博士门"公司在现“干博士"的相同地址相同厂房生产过相同型号的“博士门"牌,但该公司法人资格已消失。
属于连续除湿式的机型为卡特曼公司的“卡特曼(carteman) uld系列"产品。

3,符合ipc/jedec j-std-033标准的常温自动干燥箱选型的要点
(1),根据用途要求选型
由于间隙除湿式产品的除湿速度较慢,虽然也能下到rh10%以下,符合ipc/jedec j-std-033标准的要求。但这种产品实际上比较适合不常开门的存储型用户使用。如研究实验部门等不是每天必须开门取放物品的用户。
对于车间等将干燥箱作为工具型使用,每天多次开门的用户,使用间隙除湿式产品就存在问题:即使采用6小时能将湿度降下来的产品,但由于用户并不是空箱使用,而是装有ic等物品,这些物品内吸收的湿气不断被抽出,相当于不断向箱内加湿,因此降下来的时间就会更长,可能是8小时,或者10小时,根据物品种类和数量不等。因此,按8小时工作制一天就过去了,根本不能再次开门取放物品,并且好不容易刚降下来一开门取放物品就立即进入不除湿的“预运行"状态,然后又等8小时之后才能下来。问题是,按ipc/jedec j-std-033标准的要求, 对于潮湿敏感水平为5-级的smd器件,防湿包装拆开后如暴露在小于或等于30°c/60% rh环境下,例如20分钟,则要将其放入湿度为10%rh的常温干燥箱中,干燥200分钟,也就是约3个半小时的除湿保管时间,才可以恢复原来的寿命。如果防湿包装拆开后暴露空气环境湿度高于rh60%,例如是rh70-80%环境下,则放入干燥箱恢复寿命的时间还要大大延长。否则就不能保证产品质量。因此,恢复一次ic寿命的时间,从放进干燥箱“预运行"开始到达到rh10%,并维持满足ic寿命恢复的干燥存储时间长度结束,整个过程要在十多个小时甚至二十个小时以上。显然,这不能满足车间生产的需要。至于那些除湿时间要长达三、五天,甚至十天半月的,就更不能使用了。因此,作为车间工具型的使用,间隙除湿式产品并非好的选择。
 (2),根据可靠性要求选型
长期存储型使用的干燥箱,由于开门取放物品的次数少,一旦箱内湿度降到用户设定控制值后,便长时间不再启动,这对排潮门驱动的动力源的耐久性相应较低。而对于工具型使用的用户,由于排潮门长期反复频繁开闭,对于动力源的耐久性要求就高。如果选用了记忆合金驱动的干燥箱,就会导致记忆合金弹簧“过度疲劳",寿命大大缩短,过早就会使干燥箱产生故障。例如,安徽某真空器件单位就买了几台大型记忆合金驱动的“博士门"干燥箱,在使用上又经常开门取放物品,在两年时间左右,就先后出现记忆合金弹簧失效,干燥箱不能除湿的情况。而要命的是,记忆合金弹簧是厂家特制零件而非通用零件,外面买不到,而“博士门"又关门了,该单位求修无门,投资打了水漂,还影响了工作。这种情况,也在上海,广东及厦门等各地出现。随着使用时间的延长,这些情况还将会陆续在各地出现。因此,对于工具型使用,和存储重要物品,对可靠性要求高的用户,不宜选择记忆合金驱动的产品。
(3),根据防静电的要求选型
 静电对电子器件的危害已众所周知。环境湿度越低,静电危害越大。因此在rh10%以下的超低湿干燥环境中取放ic,必需购买不锈钢箱体产品或购买箱体隔板喷有抗静电涂料的产品。此外,箱体还应有静电泻放接地锣桩。抗静电涂料有抗静电烤漆和抗静电树脂两种,烤漆的色彩变化多,并可以通过刮膏灰来掩盖箱体焊接痕迹,外观比较美观,但耐磨性差,用指甲就可以划出痕迹,在车间这种环境使用,几年后可能就成了“花布"。树脂色彩简单,掩盖焊接痕迹效果也不如烤漆,外观较烤漆差一点,但耐磨性好。从在车间这种环境和长期使用考虑,以选择喷抗静电树脂的产品为宜。
 (4),根据控制精度的要求选型
a, 采用计算器控制的全数字电路产品,采用电子式湿度传感器和数码湿度表,有cpu,存储器等。特
征是用户设置箱内湿度是采用“ "“-"键或“上"“下"键的方式,没按一下,设定值增减1%,按住不放,设定值就会不断上升或下降。这种产品控制可靠性和精度都高。
b, 以模拟电路为主,有部分数字电路的混合电路产品。采用电子式湿度传感器和数码湿度表,但无
cpu,存储器等。特征是用户设置箱内湿度是采用多个发光二极管分段显示,按一下设置键跳一个发光二极管发亮,表示箱内湿度设置增加或减少10%,不能按1%湿度值为单位进行连续设置。这种产品不能设置,控制可靠性和精度都不如采用计算器控制的产品。


 

4,结论
(1),存储型使用或不经常开门取放物品条件下使用,可选择间隙除湿式的机型;
(2),工具型使用应选择连续除湿机型;
(3),工作完成就解散的项目组等短期用户使用可选择记忆合金驱动机型;
(4),工具型使用,和存储重要物品,对长期使用可靠性要求高的用户,应选择微电机驱动的机型;
  (5),必须选择箱体经抗静电涂料喷涂并有静电泻放接地锣桩的产品,或不锈钢箱体产品,但价格高。
(6),在采用计算器控制的全数字电路产品与以模拟电路为主,有部分数字电路的混合电路产品之间,选择前者。
(7),其它有些如温度显示等属花梢功能,可有可无。
(8),不同厂家产品的横向价格比较,一定要在相同结构的产品之间进行比较,而不能以不同结构的产品之间来进行比较。也不宜以价格为主要取向。购买产品的根本目的是为了满足使用目的,而不是纯粹为了“便宜"。满足使用要求,能长期可靠地使用,可能才符合对于用户的zui大利益。

 

5,部分常温自动干燥箱技术状态一览表(根据各厂家产品资料整理)
卡特曼uld系列 卡特曼ssd系列 高强sdx系列 高强xde系列 美阳hde系列 德洋cmtl(a)系列
箱内湿度 1-5% 7-4% 7-4% 7-4% 1-50% 1-40%
排潮门驱动方式 微电机驱动 微电机驱动 记忆合金驱动 记忆合金驱动 记忆合金驱动 记忆合金驱动
控制电路 计算器控制全数字电路 计算器控制全数字电路 计算器控制全数字电路 计算器控制全数字电路 计算器控制全数字电路 模拟与数字混合电路
箱内湿度设定方式 “ "“-"键,变化值1% “上"“下"键,变化值1% “上"“下"键,变化值1% “上"“下"键,变化值1% “上"“下"键,变化值1% 分段设定变化值10% 
除湿方式 连续除湿 间隙除湿 间隙除湿 间隙除湿 间隙除湿 间隙除湿
抗静电喷涂 标准箱体喷抗静电树脂 标准箱体喷抗静电树脂 标准箱体普通烤漆,可选喷抗静电烤漆 标准箱体普通烤漆,可选喷抗静电烤漆 普通烤漆。资料未明确是否可选喷抗静电烤漆 抗静电烤漆

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