Überlegungen zur Lagertemperatur für elektronische Komponenten und Module
20.05.2022
Es gibt zahlreiche informative Artikel über den Betriebstemperaturbereich von elektronischen Bauteilen und Baugruppen, aber relativ wenige über Lagertemperaturen. In den Datenblättern der meisten Hersteller wird entweder derselbe Lagertemperaturbereich angegeben wie die maximal möglichen Betriebstemperaturen (z. B. 0°C bis +85°C), oder es werden die „industriellen Standardwerte“ von -40°C bis +100°C ohne weitere Erläuterungen verwendet.
Um elektronische Bauteile oder Fertigprodukte richtig zu lagern, muss man jedoch die Risiken und Faktoren, die die Zuverlässigkeit der Teile beeinträchtigen könnten, genau kennen, bevor man sie in Betrieb nimmt: Wie wirkt sich die Lagertemperatur auf die Bauteile aus? Welche Alterungsmechanismen kommen ins Spiel? Werden sie beschädigt, wenn die Lagertemperaturen die im Datenblatt angegebenen Werte überschreiten? Welche anderen Umweltfaktoren könnten meine Teile nach der Lagerung unbrauchbar machen?
Vor allem die Kombination aus Lagertemperatur und Luftfeuchtigkeit ist ein entscheidender Faktor. Selbst bei kurzen Lagerzeiten kann eine Kombination aus hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Lagertemperatur zu einer Feuchtigkeits- oder Gasaufnahme im Inneren der Bauteile führen.
Für SMD-Bauteile (Surface Mount Device) wird die Anfälligkeit für die Aufnahme von Feuchtigkeit durch den Wert Moisture Sensitivity Level (MSL) angegeben, der in der folgenden JEDEC-Norm J-STD-020 definiert ist:
Die „Floor Time“ ist die Zeit, die nach dem Öffnen des versiegelten Feuchtigkeitsschutzbeutels zur Verfügung steht, bevor das Bauteil in einen Reflow-Lötofen gelegt werden kann, ohne dass die Gefahr des „Pop-Corning“ besteht, bei dem sich die absorbierte Feuchtigkeit im heißen Ofen in Dampf verwandelt und das Bauteil reißt, delaminiert oder sogar explodiert. Bleibt das Bauteil länger als die angegebene Standzeit draußen, muss es „vorgebacken“ werden, d. h. es muss in einen Trockenofen gelegt werden, um die aufgenommene Feuchtigkeit zu verdampfen, bevor es verwendet wird. TOL bedeutet, dass die vom Hersteller angegebene „Time on Label“-Zahl eingehalten werden muss.
Beachten Sie, dass die MSL-Werte für einen engen Bereich von Umgebungsbedingungen angegeben sind. Die Werte für die Umgebungstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) sind für normale Innenraumbedingungen im Winter recht hoch (25°C/50%), liegen aber für einige asiatische oder südamerikanische Länder während der Sommermonate, in denen der RH-Wert selten unter 80% fällt und die Raumtemperaturen 35°C übersteigen können, auf der niedrigen Seite. Dies bedeutet, dass die MSL-Floor Time je nach geografischer Lage der SMD-Linie und der Jahreszeit reduziert oder möglicherweise verlängert werden muss.
Vor allem die Kombination aus Lagertemperatur und Luftfeuchtigkeit ist ein entscheidender Faktor. Selbst bei kurzen Lagerzeiten kann eine Kombination aus hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Lagertemperatur zu einer Feuchtigkeits- oder Gasaufnahme im Inneren der Bauteile führen.
Für SMD-Bauteile (Surface Mount Device) wird die Anfälligkeit für die Aufnahme von Feuchtigkeit durch den Wert Moisture Sensitivity Level (MSL) angegeben, der in der folgenden JEDEC-Norm J-STD-020 definiert ist:
| MSL-Wert | Floor time | Bedingungen |
|---|---|---|
| 1 | Unbegrenzt | 30°C/85%RH |
| 2 | 1 Jahr | 30°C/60%RH |
| 2a | 4 Wochen | 30°C/60%RH |
| 3 | 168 Stunden | 30°C/60%RH |
| 4 | 72 Stunden | 30°C/60%RH |
| 5 | 48 Stunden | 30°C/60%RH |
| 5a | 24 Stunden | 30°C/60%RH |
| 6 | TOL | 30°C/60%RH |
Die „Floor Time“ ist die Zeit, die nach dem Öffnen des versiegelten Feuchtigkeitsschutzbeutels zur Verfügung steht, bevor das Bauteil in einen Reflow-Lötofen gelegt werden kann, ohne dass die Gefahr des „Pop-Corning“ besteht, bei dem sich die absorbierte Feuchtigkeit im heißen Ofen in Dampf verwandelt und das Bauteil reißt, delaminiert oder sogar explodiert. Bleibt das Bauteil länger als die angegebene Standzeit draußen, muss es „vorgebacken“ werden, d. h. es muss in einen Trockenofen gelegt werden, um die aufgenommene Feuchtigkeit zu verdampfen, bevor es verwendet wird. TOL bedeutet, dass die vom Hersteller angegebene „Time on Label“-Zahl eingehalten werden muss.
Beachten Sie, dass die MSL-Werte für einen engen Bereich von Umgebungsbedingungen angegeben sind. Die Werte für die Umgebungstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) sind für normale Innenraumbedingungen im Winter recht hoch (25°C/50%), liegen aber für einige asiatische oder südamerikanische Länder während der Sommermonate, in denen der RH-Wert selten unter 80% fällt und die Raumtemperaturen 35°C übersteigen können, auf der niedrigen Seite. Dies bedeutet, dass die MSL-Floor Time je nach geografischer Lage der SMD-Linie und der Jahreszeit reduziert oder möglicherweise verlängert werden muss.
Außerdem können durchkontaktierte Bauteile bei langfristiger Lagerung Feuchtigkeit aufnehmen. Obwohl das Bauteil selbst während des Lötens nicht solchen extremen Temperaturen ausgesetzt ist, da es während des Lötwellenprozesses durch die Leiterplatte abgeschirmt wird, was ein geringeres Risiko des „Pop-corning“ bedeutet, kann es dennoch unter anderen chemischen Alterungsprozessen leiden, die durch Feuchtigkeit und warme Umgebungstemperaturen beschleunigt werden. Zu den häufigsten Problemen gehören die Oxidation freiliegender Metallteile und die Aufnahme von Feuchtigkeit oder Gasen, entweder durch Absorption durch das Verkapselungsmaterial oder durch Kapillarwirkung an den Verbindungsstellen.
Die Oxidation der freiliegenden Lötstifte von durchkontaktierten Bauteilen kann zu „trockenen Verbindungen“ führen (Abbildung 1), bei denen das Leiterplattenlot die Lötstelle nicht richtig benetzt, da die Oxidationsverunreinigungen auf der Oberfläche der Stifte den Flüssigkeitsmeniskus abstoßen und die elektrische und mechanische Verbindung nicht gewährleistet ist. Eine trockene Lötstelle kann schwer zu erkennen sein und, was noch schlimmer ist, einen intermittierenden Fehler verursachen, so dass die Leiterplattenbaugruppe zwar die anfängliche Inspektion und Prüfung besteht, aber später im Einsatz versagt. Bestimmte atmosphärische Gase, insbesondere Schwefel, greifen Kupferverbindungen an und können zu früh einsetzender Korrosion führen. Deswegen müssen die Lagerräume gut belüftet und weit von Abflüssen oder Kanalisationsschächten entfernt sein (der charakteristische Geruch nach „faulen Eiern“ in der Kanalisation wird durch Schwefelwasserstoffgas verursacht, das ein natürliches Produkt des organischen Zerfalls ist).
Wenn schlechte Lötstellen ein wiederkehrendes Problem nach der Lagerung von Bauteilen sind, muss das Bauteil möglicherweise in einer Feuchtigkeitsschutztasche mit einem Trockenmittel-Gelpack gelagert oder vor der Verwendung gereinigt werden. Alternativ kann der Stift „geflasht“ oder mit einer dünnen Schicht aus reinem Zinn oder Gold überzogen werden, da beide weniger empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sind.
Das Vergussmaterial selbst kann Feuchtigkeit oder atmosphärische Gase absorbieren, insbesondere bei hohen Lagertemperaturen. Epoxid-Vergussmaterialien sind in der Regel sehr hart und chemisch inert, während Silikone oder Polyurethan-Materialien in der Regel weicher und poröser sind. Aufgrund der Porosität der letztgenannten Materialien können Feuchtigkeit oder Luftsauerstoff in die inneren Komponenten eindringen und aufgrund von Korrosionseffekten eine mechanische Ausdehnung bewirken, wodurch die Dichtung zwischen den äußeren Stiften oder dem äußeren Gehäuse beschädigt wird und weitere Feuchtigkeit eindringen kann. Die Unversehrtheit der Dichtung kann mit einem Penetrationstest unter Verwendung eines UV-Fluoreszenzfarbstoffs geprüft werden (Abbildung 2).
Die Oxidation der freiliegenden Lötstifte von durchkontaktierten Bauteilen kann zu „trockenen Verbindungen“ führen (Abbildung 1), bei denen das Leiterplattenlot die Lötstelle nicht richtig benetzt, da die Oxidationsverunreinigungen auf der Oberfläche der Stifte den Flüssigkeitsmeniskus abstoßen und die elektrische und mechanische Verbindung nicht gewährleistet ist. Eine trockene Lötstelle kann schwer zu erkennen sein und, was noch schlimmer ist, einen intermittierenden Fehler verursachen, so dass die Leiterplattenbaugruppe zwar die anfängliche Inspektion und Prüfung besteht, aber später im Einsatz versagt. Bestimmte atmosphärische Gase, insbesondere Schwefel, greifen Kupferverbindungen an und können zu früh einsetzender Korrosion führen. Deswegen müssen die Lagerräume gut belüftet und weit von Abflüssen oder Kanalisationsschächten entfernt sein (der charakteristische Geruch nach „faulen Eiern“ in der Kanalisation wird durch Schwefelwasserstoffgas verursacht, das ein natürliches Produkt des organischen Zerfalls ist).
Wenn schlechte Lötstellen ein wiederkehrendes Problem nach der Lagerung von Bauteilen sind, muss das Bauteil möglicherweise in einer Feuchtigkeitsschutztasche mit einem Trockenmittel-Gelpack gelagert oder vor der Verwendung gereinigt werden. Alternativ kann der Stift „geflasht“ oder mit einer dünnen Schicht aus reinem Zinn oder Gold überzogen werden, da beide weniger empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sind.
Das Vergussmaterial selbst kann Feuchtigkeit oder atmosphärische Gase absorbieren, insbesondere bei hohen Lagertemperaturen. Epoxid-Vergussmaterialien sind in der Regel sehr hart und chemisch inert, während Silikone oder Polyurethan-Materialien in der Regel weicher und poröser sind. Aufgrund der Porosität der letztgenannten Materialien können Feuchtigkeit oder Luftsauerstoff in die inneren Komponenten eindringen und aufgrund von Korrosionseffekten eine mechanische Ausdehnung bewirken, wodurch die Dichtung zwischen den äußeren Stiften oder dem äußeren Gehäuse beschädigt wird und weitere Feuchtigkeit eindringen kann. Die Unversehrtheit der Dichtung kann mit einem Penetrationstest unter Verwendung eines UV-Fluoreszenzfarbstoffs geprüft werden (Abbildung 2).
Bei diesem Test wird das Bauteil für eine bestimmte Zeit unter hohem Druck in einen Farbstoff auf Wasserbasis getaucht, um festzustellen, ob Flüssigkeit durch Mikrorisse, Poren oder schlechte Dichtungen eindringt. Anschließend wird das Bauteil demontiert und unter eine UV-Lampe gelegt. Jede eingedrungene Flüssigkeit wird als Fluoreszenz des Farbstoffs sichtbar.
Mikrorisse und Dichtungsversagen können auch durch Temperaturschwankungen in der Umgebung entstehen. Wenn ein Bauteil in einem warmen, feuchten Klima hergestellt und dann im Frachtraum eines Flugzeugs bei -40°C transportiert wird, kann jegliche Feuchtigkeit im Inneren schockgefrieren und die hermetische Dichtung brechen, wenn sich das Eis ausdehnt. Das Teil kann während des Transports durch verschiedene Verteilungszentren im Flug- oder Straßenverkehr mehrere Auftau-/Gefrierzyklen durchlaufen, bevor es am endgültigen Bestimmungsort ankommt, wodurch sich der Defekt ausbreitet. Eine weniger drastische, aber längerfristige Belastung durch thermische Zyklen kann auftreten, wenn das Teil anschließend über mehrere Sommer-/Winterperioden in einem unbeheizten Lagerhaus gelagert wird.
Wenn ein Hersteller beispielsweise angibt, dass sein Bauteil einen Lagertemperatur- und -feuchtigkeitsbereich von -40°C bis +85°C bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit hat, bedeutet dies NICHT, dass das Bauteil sicher zwischen diesen Lagertemperaturgrenzen hin und her bewegt werden kann. Wenn ein Teil bei einer niedrigen Temperatur gelagert wird, um ionische oder atomare Alterungsprozesse zu reduzieren (Abbildung 3), muss es sehr langsam erwärmt und auf Raumtemperatur gebracht werden, bevor es verwendet wird. Anhaltend warme oder kalte Lagertemperaturen sind mehreren Warm-Kalt-Zyklen vorzuziehen.
Abb. 3: Diagramm der Arrhenius-Gleichung. Die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion, k, ist proportional zu einer Exponentialfunktion der Temperatur T - je höher die Temperatur, desto aggressiver die Reaktion. A ist eine Konstante für die Reaktion, Ea ist die Aktivierungsenergie für die Reaktion und R ist die universelle Gaskonstante. Diese Beziehung gilt für viele chemische Reaktionen, einschließlich der meisten Korrosions-, Oxidations- und Alterungsprozesse.
Was passiert, wenn die Lagertemperaturen überschritten werden? SMD-Bauteile, die auf einer internen Leiterplatte montiert sind, haben eine andere Wärmeausdehnungs- bzw. -kontraktionsrate als das Substrat selbst, so dass bei extremen Temperaturen die mechanische Belastung zu einem Bruch des Lots oder zu einem Riss im Bauteil führen kann. Gekapselte Bauteile (Dioden, Transistoren usw.) können in der Regel niedrigeren Temperaturen standhalten, da das Gehäuse die Stifte mechanisch stützt, aber sie können dennoch bei Temperaturen unter -40°C versagen, da sie oft metallische Leiterrahmen enthalten und Kupfer einen hohen Wärmekontraktionskoeffizienten hat.
Bei sehr niedrigen Temperaturen treten die meisten Schwierigkeiten bei Komponenten auf, die auf der Bewegung von Ionen oder flüssigen chemischen Prozessen beruhen. Dazu gehören elektrolytische und einige Arten von Keramikkondensatoren. Bei niedrigen Temperaturen „friert“ diese Aktivität ein. Elektrolytkondensatoren verlieren bei der Abkühlung schnell ihre Kapazität, und bei -40°C haben sie vielleicht nur noch 10 % Kapazität im Vergleich zu ihrem Wert bei Raumtemperatur. Bei kryogenen Temperaturen (d. h. unter etwa -65°C) gefriert der Elektrolyt, was zu dauerhaften physischen Schäden führt.
Mikrorisse und Dichtungsversagen können auch durch Temperaturschwankungen in der Umgebung entstehen. Wenn ein Bauteil in einem warmen, feuchten Klima hergestellt und dann im Frachtraum eines Flugzeugs bei -40°C transportiert wird, kann jegliche Feuchtigkeit im Inneren schockgefrieren und die hermetische Dichtung brechen, wenn sich das Eis ausdehnt. Das Teil kann während des Transports durch verschiedene Verteilungszentren im Flug- oder Straßenverkehr mehrere Auftau-/Gefrierzyklen durchlaufen, bevor es am endgültigen Bestimmungsort ankommt, wodurch sich der Defekt ausbreitet. Eine weniger drastische, aber längerfristige Belastung durch thermische Zyklen kann auftreten, wenn das Teil anschließend über mehrere Sommer-/Winterperioden in einem unbeheizten Lagerhaus gelagert wird.
Wenn ein Hersteller beispielsweise angibt, dass sein Bauteil einen Lagertemperatur- und -feuchtigkeitsbereich von -40°C bis +85°C bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit hat, bedeutet dies NICHT, dass das Bauteil sicher zwischen diesen Lagertemperaturgrenzen hin und her bewegt werden kann. Wenn ein Teil bei einer niedrigen Temperatur gelagert wird, um ionische oder atomare Alterungsprozesse zu reduzieren (Abbildung 3), muss es sehr langsam erwärmt und auf Raumtemperatur gebracht werden, bevor es verwendet wird. Anhaltend warme oder kalte Lagertemperaturen sind mehreren Warm-Kalt-Zyklen vorzuziehen.
Abb. 3: Diagramm der Arrhenius-Gleichung. Die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion, k, ist proportional zu einer Exponentialfunktion der Temperatur T - je höher die Temperatur, desto aggressiver die Reaktion. A ist eine Konstante für die Reaktion, Ea ist die Aktivierungsenergie für die Reaktion und R ist die universelle Gaskonstante. Diese Beziehung gilt für viele chemische Reaktionen, einschließlich der meisten Korrosions-, Oxidations- und Alterungsprozesse.
Was passiert, wenn die Lagertemperaturen überschritten werden? SMD-Bauteile, die auf einer internen Leiterplatte montiert sind, haben eine andere Wärmeausdehnungs- bzw. -kontraktionsrate als das Substrat selbst, so dass bei extremen Temperaturen die mechanische Belastung zu einem Bruch des Lots oder zu einem Riss im Bauteil führen kann. Gekapselte Bauteile (Dioden, Transistoren usw.) können in der Regel niedrigeren Temperaturen standhalten, da das Gehäuse die Stifte mechanisch stützt, aber sie können dennoch bei Temperaturen unter -40°C versagen, da sie oft metallische Leiterrahmen enthalten und Kupfer einen hohen Wärmekontraktionskoeffizienten hat.
Bei sehr niedrigen Temperaturen treten die meisten Schwierigkeiten bei Komponenten auf, die auf der Bewegung von Ionen oder flüssigen chemischen Prozessen beruhen. Dazu gehören elektrolytische und einige Arten von Keramikkondensatoren. Bei niedrigen Temperaturen „friert“ diese Aktivität ein. Elektrolytkondensatoren verlieren bei der Abkühlung schnell ihre Kapazität, und bei -40°C haben sie vielleicht nur noch 10 % Kapazität im Vergleich zu ihrem Wert bei Raumtemperatur. Bei kryogenen Temperaturen (d. h. unter etwa -65°C) gefriert der Elektrolyt, was zu dauerhaften physischen Schäden führt.
Darüber hinaus verschlechtern sich der Serienersatzwiderstand (ESR) und der Verlustfaktor (Tanδ) des Kondensators rasch mit der Temperatur, wobei der ESR- und der Tanδ-Wert unterhalb des Gefrierpunkts rasch ansteigen und bei Erreichen von -55°C den Faktor 100 bzw. 10 erreichen. Diese Effekte bedeuten, dass der Kondensator bei niedrigeren Temperaturen eine völlig andere Leistungscharakteristik aufweist als bei Raumtemperatur. Wenn also ein Produkt, das diese Teile enthält, von einem kalten Lagerraum in einen warmen Raum gebracht und dann plötzlich eingeschaltet wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Einschaltfehlers.
Andere Bauteile, die auf sehr kalte Temperaturen empfindlich reagieren, sind drahtgewickelte Drosseln und Transformatoren. Die Kupferwicklungen in diesen Bauteilen ziehen sich bei niedrigen Temperaturen zusammen und üben eine mechanische Belastung auf den Ferritkern aus, der bei niedrigeren Temperaturen brüchiger wird, da das Bindematerial zwischen den Ferritkörnern weniger flexibel ist. Wenn ein sehr kaltes Produkt, das ein Ferritteil enthält, versehentlich fallen gelassen wird, kann es durch den mechanischen Schock sehr leicht zerbrechen, selbst wenn es „sicher“ in einer Vergusskapselung eingeschlossen ist (Abbildung 4). Deswegen sollten Produkte und Baugruppen, die aus dem Kühllager genommen werden, mit äußerster Vorsicht behandelt werden.
Wenn ein Bauteil oder eine Unterbaugruppe in einer günstigen Umgebung gelagert wird, in der die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur relativ stabil bleiben oder sich nur langsam ändern, kann die Haltbarkeit tatsächlich sehr lang sein. Unter idealen Bedingungen beträgt die Haltbarkeit eines RECOM-gekapselten DC/DC- oder AC/DC-Stromversorgungsmoduls zehn Jahre.
Wird ein solches Produkt jedoch nach einer so langen Lagerzeit in Betrieb genommen, sollte es allmählich an die Raumtemperatur gewöhnt und visuell überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine Korrosion an den Stiften und Steckern vorhanden ist. Enthält ein solches Produkt Elektrolytkondensatoren, sollte es allmählich mit einer begrenzten Stromzufuhr hochgefahren werden (ein Prozess, der „Reforming“ genannt wird), damit sich die dielektrische Isolierung aus Aluminiumoxid erholen kann, bevor sie mit der vollen Eingangsspannung belastet wird.
Die derzeitigen weltweiten Probleme in der Lieferkette veranlassen zahlreiche Händler und Lieferanten, ihre alten Lagerbestände zu durchforsten, um die unmittelbare Kundennachfrage zu befriedigen. Solange die Bauteile ordnungsgemäß gelagert und vor dem Anschließen an die Stromversorgung allmählich auf Raumtemperatur gebracht wurden, können die Teile noch einwandfrei verwendet werden.
Andere Bauteile, die auf sehr kalte Temperaturen empfindlich reagieren, sind drahtgewickelte Drosseln und Transformatoren. Die Kupferwicklungen in diesen Bauteilen ziehen sich bei niedrigen Temperaturen zusammen und üben eine mechanische Belastung auf den Ferritkern aus, der bei niedrigeren Temperaturen brüchiger wird, da das Bindematerial zwischen den Ferritkörnern weniger flexibel ist. Wenn ein sehr kaltes Produkt, das ein Ferritteil enthält, versehentlich fallen gelassen wird, kann es durch den mechanischen Schock sehr leicht zerbrechen, selbst wenn es „sicher“ in einer Vergusskapselung eingeschlossen ist (Abbildung 4). Deswegen sollten Produkte und Baugruppen, die aus dem Kühllager genommen werden, mit äußerster Vorsicht behandelt werden.
Wenn ein Bauteil oder eine Unterbaugruppe in einer günstigen Umgebung gelagert wird, in der die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur relativ stabil bleiben oder sich nur langsam ändern, kann die Haltbarkeit tatsächlich sehr lang sein. Unter idealen Bedingungen beträgt die Haltbarkeit eines RECOM-gekapselten DC/DC- oder AC/DC-Stromversorgungsmoduls zehn Jahre.
Wird ein solches Produkt jedoch nach einer so langen Lagerzeit in Betrieb genommen, sollte es allmählich an die Raumtemperatur gewöhnt und visuell überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine Korrosion an den Stiften und Steckern vorhanden ist. Enthält ein solches Produkt Elektrolytkondensatoren, sollte es allmählich mit einer begrenzten Stromzufuhr hochgefahren werden (ein Prozess, der „Reforming“ genannt wird), damit sich die dielektrische Isolierung aus Aluminiumoxid erholen kann, bevor sie mit der vollen Eingangsspannung belastet wird.
Die derzeitigen weltweiten Probleme in der Lieferkette veranlassen zahlreiche Händler und Lieferanten, ihre alten Lagerbestände zu durchforsten, um die unmittelbare Kundennachfrage zu befriedigen. Solange die Bauteile ordnungsgemäß gelagert und vor dem Anschließen an die Stromversorgung allmählich auf Raumtemperatur gebracht wurden, können die Teile noch einwandfrei verwendet werden.
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