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符合J-STD-033标准用于湿度敏感电子元件的常温干燥箱选型问题

 卡特曼环境科技研究中心

 
郑重申明

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1,常温自动干燥箱的结构和种类     
 
        常温自动干燥箱,目前市售商品名称有“电子防潮箱”、“电子干燥箱”“防潮柜”等多种。其除湿原理有制冷式和水分物理分解排除式两大类。
 
        其中,制冷式采用 半导体制冷片通过将空气中的水分冷凝结露后排除。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。而水分物理分解排除式干燥箱,可在常温状态下将箱内湿度降到10%RH以下,此类 产品又称常温干燥箱,由于复符合IPC/JEDEC J-STD-033标准,在电子行业使用日渐广泛。
  
        水分物理分解排除式干燥箱是机电一体化产品,根据其机械动作产生的动力源,分为记忆合金驱动常温干燥箱和微电机驱动常温干燥箱两大类。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,是涉及常温干燥箱产品寿命和可靠性及存放物品的安全性的最 重要的关键因素。
 
(1),记忆合金驱动常温干燥箱
 
        所谓记忆合金常温干燥箱,就是采用记忆合金弹簧作为动力源来驱动除湿器的排潮门,按工作程序进行开启或关闭。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,再与复位拉簧和拉杆组成连杆运动机构.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。在经排潮后计时完毕后,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二、三十年, 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。 例如其特性受时间和环境因素影响大,往往不明原因就出现丧失记忆功能,发生不能收缩的情况,使记忆合金驱动常温干燥箱除湿器排潮门不能打开,导致故障不除 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。特别对开门取放物品频率高的用户,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。
 
        记忆合金驱动常温干燥箱还存在一个问题,就是记忆合金弹簧受温度控制产生缩短或伸长过程是缓慢进行的。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。
 
(2),微电机驱动常温干燥箱
 
        微所谓电机驱动常温干燥箱,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,微电机作为动力源来驱动除湿器的排潮门,按工作程序进行开启或关闭。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常温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,除湿更快。
 
        目前市售的水分物理分解排除式常温自动干燥箱, 是记忆合金驱动常温干燥箱和微电机驱常温干燥箱并存,用户须仔细分辨。
 
2,常温干燥箱的除湿速度
 
(1),间歇式除湿类型
        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。降温时间根据除湿器大小,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,水分排除。。。如此周而复始,直到箱内湿度达到用户控制 的设定值,则常温干燥箱进入停机待命状态。一旦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,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歇式除湿机型。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6-12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,此类产品均属间歇式除湿产品,除湿速度较慢,难以满足工厂车间现场生产对除湿速度的要求。
 
        为提高除湿速度,有的厂家对间歇除湿机类型采取了一些辅助手段,例如,向间隙除湿常温干燥箱内加入氮气,置换箱内的空气,以预先降低箱内的湿度,减轻除湿 器的工作量。此方法存在的问题是,如用户自己无制氮设备而是购买氮气使用,将大大增加干燥箱的运行费用。其次,进入箱内的氮气是要排出箱外的,排出的氮气 会危害操作人员身体健康。
 
        也有采用空压机将将干燥压缩空气输入到箱内的,这种方法存在的问题是,空压机会发生巨大的噪音扰民,连续运行的空压机寿命较短, 其外接的双塔式气体干燥器易因粉尘吸入和由空压机带来的含油空气造成吸附材料微孔堵塞而丧失干燥功能,需维护和更换吸附材料,这些用户都难以自己实施,并 且空压机电耗高,导致干燥箱运行费用高。此外,空压机运行时应有人监控照料,如夜间无人照料则有安全隐患。
 
(2),连续除湿类型
        为解决间歇式除湿常温干燥箱除湿速度较慢,难以满足工厂车间现场生产对除湿速度的要求,由卡特曼推出的新型高速超低湿度常温干燥箱,由于其工作时没有不除湿的“预运行”过程,随时都处于除湿状态,属于连续除湿类型,且无须采用氮气或压缩干燥 空气等辅助除湿手段,实现了超高速除湿。在60%RH车间环境湿度状态下,15分钟内就可将箱内湿度降到10%RH以下,是目前世界上除湿速度最快的常温 干燥箱。并且运行费用最低,无有害气体排放、工作无噪音,无耗材,能耗最低,无须人员维护照料,可不分昼夜全自动运行,无压力装置,安全性好,可完全满足 车间生产现场需随时开启箱门取放物品对而对常温干燥箱高速除湿的要求。
 
3,如何消除潮湿对电子工业造成的危害
 
(1),潮湿对电子工业生产过程控制和质量控制管理的危害
        电子工业采用的元器件绝大多数都是对环境湿度很敏感的元器件,即湿度敏感元件。这是指非气密封装的电子元件,如SMD器件等,会因潮湿气体透过封装材料和 元件的接合面进入到元件的内部,从而造成内部电路氧化腐蚀短路。而在生产过程中组焊接过程中的高温会使进入元件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。其它IC类电子元件以及PCB等,大都也存在潮湿的危害 问题。而潮湿对电子元器件的危害,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,对电子产品的生产过程控制和质量控制 提出了严重的挑战。
 
(2),电子工业的环境控制标准和措施
        为解决潮湿对电子工业造成的危害,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,对湿度敏感元件进行了分类,并提出保证元件安全的环境控制标准。以在潮湿空气之中暴露过的湿度敏 感级别为5a级的IC,制定了将其放置在RH10%干燥箱中,放置的时间长度为IC暴露在潮湿空气时间长度的10倍的时间,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。
 
4,常温干燥箱的选型不当存在的问题指引
        由于一般用户对常温自动干燥箱缺乏了解,而易被产品的价格和外观等表面现象左右,或易受推销者的诱导,因此在选型上往往难以正确选取。事实上已有不少用户在购买使用后感到不尽如人意,并集中表现在以下几个方面:
 
(1),除湿时间长。从70-80%RH左右的环境湿度降到RH10%以下,除湿湿度快的要8-12小时以上,慢的3-5天,甚至10天半月,而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,环境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。由于生产节奏的限制, 迫于无奈,用户只有不管效果如何,勉强使用。或者放弃在车间现场作为干燥工艺使用,而改作为仓储型使用,或购买多台干燥箱来解决。对于想将常温干燥箱做工 具型使用的用户,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出现不除湿的故障。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。
 
5,符合IPC/JEDEC J-STD-033标准的常温自动干燥箱选型的要点
        由于用户情况多样,有的是仓储式使用,有的是车间现场使用,还有的是作干燥工具式使用,因此有必要加深对常温干燥箱的了解,为购买选型提供科学的决策依据。
 
(1),根据用途要求选型
        由于间歇式除湿常温干燥箱的除湿速度较慢,虽然能下到RH10%,符合IPC/JEDEC J-STD-033标准的要求。但实际上适合不是每天必须开门取放物品的仓储型用户使用。
 
        对于车间等将干燥箱作为工具型使用的用户,每天多次开门的用户,使用间歇式除湿常温干燥箱就存在问题:
        由于用户并不是空箱使用,而是装有IC等元件,这些元件内部所含的湿气不断被抽出,相当于不断向箱内加湿,因此湿度降下来的时间就会延长。此外,环境湿度 也在变化之中,如果环境湿度升高,箱内湿度降下来的时间就还要延长。因此间歇式除湿常温干燥箱将向内湿度降下来的时间,根据存储物品种类和数量的不同,以 及干燥箱厂家的不同,也有所不同:可能是8小时,也可能是10小时,甚至更长。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。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小时或更长时间之后才能再降下来。
        但是,按IPC/JEDEC J-STD-033标准的要求, 对于潮湿敏感水平为5-5a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,才可以恢复原来的车间寿 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,则放入干燥箱恢复车间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车间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,间歇式除湿干燥箱并非好的选择,而应该选择连续除湿的高速超低湿度常温干燥箱。
 
(2),根据可靠性要求选型
        长期仓储型使用的常温干燥箱,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要求相应 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常温干燥箱,就会导致记忆合金弹簧过度 疲劳,寿命缩短,易故障。且在维修方面也存在问题:记忆合金弹簧是厂家特制零件而非通用零件,市场买不到。如干燥箱厂家倒闭关门,就会求修无门。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常温干燥箱,而宜选择微电机驱动常温干燥箱。
 
(3),根据控制精度的要求选型
        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。
        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。这种产品不能精确设置,控制可靠 性和精度都不如采用计算器控制的产品。
        有些低价位常温干燥箱采用机械湿度开关按高,中,低进行湿度控制,机械指针湿度表显示,由于这些机械式产品误差动则正负7-10%,对于湿度存储要求控制在5-10%RH的电子元器件而言,误差太大,不宜使用。
 
6,结论
(1),才仓储型使用或不经常开门取放物品条件下使用,可选择间歇除湿式的机型;
(2),车间现场使用和工具型使用应选择连续除湿的高速超低湿度机型;
(3),对可靠性要求不是很高的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,可选择微电机驱动常温干燥箱。
(5),在计算器控制的全数字电路产品与以模拟电路与数字电路的混合电路产品之间,选择前者。
(6),其它有些花梢功能,可有可无。
(7),不同厂家产品的价格比较,要在相同类型的产品之间进行比较,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,满足使用要求,能长期可靠地使用,才符合用户的最大利益。

 

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