Kann die Lagerung von integrierten Schaltungen oder elektronischen Modulen über wenige Tage ohne geeignete Schutzverpackung das Risiko von Defekten in den späteren Endprodukten erhöhen? Lässt sich ein solcher Zustand korrigieren? Und welche Rolle spielt dabei die Bauteiltrocknung?

Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Baugruppen stellt die Elektronikfertigung vor immer höhere Qualitätsanforderungen. Moderne Fertigungsprozesse werden kontinuierlich komplexer und erfordern sowohl spezialisierte Fachkenntnisse als auch hochentwickelte Produktions- und Prüftechnik.

Die Qualität einer fertig bestückten Leiterplatte (PCBA) hängt von zahlreichen Faktoren ab. Dazu gehören die korrekte Einstellung der Prozessparameter, die fachgerechte Durchführung aller Montageprozesse, der Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD) sowie eine geeignete Verpackung und Lagerung der Komponenten. Oft wird jedoch unterschätzt, wie wichtig kontrollierte Umgebungsbedingungen für die Lagerung elektronischer Bauteile sind.

Vorgaben hinsichtlich Luftfeuchtigkeit, Verpackungsart und Lagerbedingungen werden häufig als weniger kritisch angesehen. Einer der Gründe dafür liegt darin, dass feuchtigkeitsbedingte Schäden oftmals nicht sofort sichtbar sind. Die eigentlichen Ursachen von Ausfällen lassen sich häufig erst nach aufwendigen Analysen identifizieren.

Werden Bauteile direkt nach der Anlieferung verarbeitet, treten Probleme aufgrund unsachgemäßer Lagerung oftmals gar nicht erst auf. Viele Unternehmen beziehen ihre Komponenten zudem von zuverlässigen Lieferanten und aus aktueller Produktion, wodurch das Risiko zusätzlich reduziert wird.

In den Jahren 2021 und 2022 führten weltweite Lieferengpässe bei Halbleitern dazu, dass viele Einkäufer elektronische Komponenten von bislang unbekannten Lieferanten beziehen mussten. Nicht selten handelte es sich dabei um Lagerbestände, die bereits mehrere Jahre alt waren.

Um die Materialverfügbarkeit für die Produktion sicherzustellen, wurden in vielen Fällen die Anforderungen an die Herkunft und Lagerhistorie der Bauteile reduziert.

Nachdem sich die Liefersituation im Jahr 2023 weitgehend normalisiert hatte, trafen gleichzeitig große Mengen regulär bestellter Komponenten in den Lagern der Elektronikhersteller ein. Viele Unternehmen sehen sich deshalb mit erheblichen Überbeständen konfrontiert. Aktuelle Marktanalysen zeigen, dass allein bei europäischen Elektronikfertigern überschüssige Lagerbestände einen Wert von mehreren Milliarden Euro erreichen.

Diese Bestände werden in den kommenden Jahren schrittweise verbraucht oder auf dem freien Markt weiterverkauft. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass elektronische Komponenten über längere Zeiträume unter nicht kontrollierten Umgebungsbedingungen gelagert werden.

Feuchtigkeit kann während der Lagerung in die Gehäuse elektronischer Komponenten eindringen. Werden diese Bauteile anschließend im Reflow-Lötprozess hohen Temperaturen ausgesetzt, kann die eingeschlossene Feuchtigkeit schlagartig verdampfen und erhebliche Schäden verursachen.

Zu den häufigsten Defekten zählen:

• Mikrorisse im Gehäuse,
• Delaminationen zwischen den Materialschichten,
• das sogenannte „Popcorning“,
• interne Struktur- und Bondschäden.

Ein Teil dieser Fehler wird bereits bei elektrischen Tests oder der Inbetriebnahme erkannt. Andere Defekte führen erst während des späteren Betriebs zu einer erhöhten Ausfallrate elektronischer Geräte.

Hersteller elektronischer Komponenten klassifizieren die Feuchtigkeitsempfindlichkeit ihrer Produkte gemäß der Norm J-STD-020. Diese sogenannte MSL-Klassifizierung (Moisture Sensitivity Level) definiert sowohl die zulässigen Lagerbedingungen als auch die maximale Zeitspanne zwischen dem Öffnen der feuchtigkeitsdichten Verpackung (Moisture Barrier Bag – MBB) und der Verarbeitung im Bestückungsprozess.

Sehr geringe Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Die Bauteile können in der Regel ohne besondere Schutzmaßnahmen der Umgebungsluft ausgesetzt werden.

Geringe Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Nach einem Jahr Lagerung außerhalb der Schutzverpackung beziehungsweise nach vier Wochen bei MSL 2a wird eine Bauteiltrocknung empfohlen.

Mittlere Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Die Expositionszeit gegenüber der Umgebungsluft sollte minimiert werden. Nach 168 Stunden (sieben Tagen) ist eine Trocknung der Bauteile erforderlich.

Hohe Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Die Komponenten müssen sorgfältig behandelt und in einer Moisture Barrier Bag gelagert werden. Bereits nach 72 Stunden ist eine Bauteiltrocknung notwendig.

Sehr hohe Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Nach maximal 48 Stunden außerhalb der Schutzverpackung müssen die Bauteile getrocknet werden.

Extrem feuchtigkeitsempfindliche Bauteile. Diese Komponenten müssen stets unter kontrollierten Bedingungen gelagert und grundsätzlich vor der Verarbeitung getrocknet werden.

Informationen zur jeweiligen MSL-Klasse befinden sich auf den Warn- und Kennzeichnungsetiketten der Originalverpackung. Typische Mikrocontroller werden häufig der Klasse MSL 3 zugeordnet, während GSM- oder LTE-Kommunikationsmodule oftmals die Klasse MSL 4 besitzen.

Um während der Lagerung aufgenommene Feuchtigkeit aus dem Gehäuse elektronischer Komponenten zu entfernen, wird ein kontrollierter Trocknungs- beziehungsweise Vorwärmprozess durchgeführt. Die Anforderungen hierfür sind in internationalen Industriestandards definiert.

Die erforderlichen Trocknungszeiten können – abhängig von der MSL-Klasse und den gewählten Prozessparametern – zwischen wenigen Stunden und mehreren Wochen liegen. Höhere Temperaturen verkürzen zwar die Prozessdauer, sind jedoch nicht für jedes Bauteil geeignet. Deshalb müssen Temperaturprofil und Trocknungszeit stets entsprechend den Herstellervorgaben gewählt werden.

Unmittelbar nach der Bauteiltrocknung erfolgt die Verarbeitung im Lötprozess. Dadurch lässt sich das Risiko feuchtigkeitsbedingter Defekte nahezu vollständig eliminieren.

Im Rahmen unserer EMS-Dienstleistungen verarbeiten wir regelmäßig von Kunden bereitgestellte elektronische Komponenten. Häufig ist die vollständige Lagerhistorie dieser Bauteile jedoch nicht bekannt.

Um die Qualität der gefertigten Baugruppen weiter zu erhöhen und Risiken in der Elektronikproduktion zu minimieren, haben wir in moderne Labortechnik investiert. Unsere neue Labor-Trockenkammer mit forcierter Luftzirkulation ermöglicht die professionelle Bauteiltrocknung über den gesamten zulässigen Temperaturbereich hinweg.

Die Anlage der neuesten Generation verfügt unter anderem über eine Ereignisprotokollierung, einen internen Datenspeicher für Messwerte sowie frei programmierbare mehrstufige Zeit-Temperatur-Profile. Dadurch können die Anforderungen unterschiedlicher MSL-Klassen präzise umgesetzt werden.

Die kontrollierte Bauteiltrocknung ist ein wesentlicher Bestandteil moderner Elektronikfertigung. Sie reduziert das Risiko von Schäden durch Feuchtigkeitsaufnahme erheblich und verbessert die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen langfristig.

Durch den gezielten Einsatz von Trocknungsprozessen vor dem Reflow-Löten können Defekte vermieden werden, die andernfalls erst während der Nutzung elektronischer Geräte auftreten würden. Damit leistet die Bauteiltrocknung einen wichtigen Beitrag zur Sicherstellung höchster PCBA-Qualität und zur langfristigen Zuverlässigkeit elektronischer Produkte.