潮湿敏感元件的管控

潮湿敏感元件本文介绍，应该清楚地认识到元件对潮湿的敏感性是一个复杂的主题。潮湿敏感性元件的主题是相当麻烦但很重要的-并且经常被误解的。由于潮湿敏感性元件使用的增加，诸如薄的密间距元件(fine-pitchdevice)和球栅阵列(BGA,ballgridarray)，使得对这个失效机制的关注也增加了。当元件暴露在回流焊接期间升高的温度环境下，陷于塑料的表面贴装元件(SMD,surfacemountdevice)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括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、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。在一一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面；最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。IPC-美国电子工业联合会制订和发布了IPC-M-109,潮湿敏感性元件标准和指引手册。它包括以下七个文件：IPC/JEDECJ-STD-020塑料集成电路(IC)SMD的潮湿/回流敏感性分类IPC/JEDECJ-STD-033潮湿/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用标准IPC/JEDECJ-STD-035非气密性封装元件的声学显微镜检查方法IPC-9501用于评估电子元件(预处理的IC元件)的印刷线路板(PWB,printedwiringboard)的装配工艺过程的模拟方法IPC-9502电子元件的PWB装配焊接工艺指南IPC-9503非IC元件的潮湿敏感性分类IPC-9504评估非IC元件(预处理的非IC元件)的装配工艺过程模拟方法原来的潮湿敏感性元件的文件，IPC-SM-786,潮湿/回流敏感性IC的检定与处理程序，不再使用了。IPC/JEDECJ-STD-020定义了潮湿敏感性元件，即由潮湿可透材料诸如塑料所制造的非气密性包装的分类程序。该程序包括暴露在回流焊接温度接着详细的视觉检查、扫描声学显微图象、截面和电气测试等。测试结果是基于元件的体温，因为塑料模是主要的关注。、标准的回流温度是220°C+5°C/-0°C，但是回流试验发现，当这个温度设定为大量元件的电路板的时候，小量元件可达到235°C。如果可能出现更高的温度，比如可能出现小量与大量元件的情况，那么推荐用235°C的回流温度来作评估。可使用对流为主、红外为主或汽相回流设备，只要它可达到按照J-STD-020的所希望的回流温度曲线。下面列出了八种潮湿分级和车间寿命(floorlife)。有关保温时间标准的详情，请参阅J-STD-020o1级-小于或等于30°C/85%RH无限车间寿命2级-小于或等于30°C/60%RH一年车间寿命2a级-小于或等于30°C/60%RH四周车间寿命3级-小于或等于30°C/60%RH168小时车间寿命4级-小于或等于30°C/60%RH72小时车间寿命5级-小于或等于30°C/60%RH48小时车间寿命5a级-小于或等于30°C/60%RH24小时车间寿命6级-小于或等于30°C/60%RH72小时车间寿命(对于6级，元件使用之前必须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。)增重(weight-gain)分析(参阅J-STD-020)确定一个估计的车间寿命，而失重(weight-loss)分析确定需要用来去掉过多元件潮湿的烘焙时间。J-STD-033提供有关烘焙温度与时间的详细资料。IPC/JEDECJ-STD-033提供处理、包装、装运和烘焙潮湿敏感性元件的推荐方法。重点是在包装和防止潮湿吸收上面-烘焙或去湿应该是过多暴露发生之后使用的最终办法。干燥包装涉及将潮湿敏感性元件与去湿剂、湿度指示卡和潮湿敏感注意标贴一起密封在防潮袋内。标贴含有有关特定温度与湿度范围内的货架寿命、包装体的峰值温度(220°C或235°C)、开袋之后的暴露时间、关于何时要求烘焙的详细情况、烘焙程序、以及袋的密封日期。1级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是不要求的，除非元件分类到235°C的回流温度。2级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。2a~5a级。装袋之前干燥是要求的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。6级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是要求的。元件干燥使用去湿或烘焙两种方法之一。室温去湿，可用于那些暴露在30°C/85%RH条件下少于8小时的元件，使用标准的干燥包装方法或者一个可以维持25°C±5°C、湿度低于10%RH的干燥箱。烘焙比许多人所了解的要更复杂一点。对基于级别和包装厚度的干燥前与后的包装，有一些烘焙的推荐方法。预烘焙用于干燥包装的元件准备，而后烘焙用于在车间寿命过后重新恢复元件。请查阅并跟随J-STD-033中推荐的烘焙时间/温度。烘焙温度可能通过氧化引脚或引起过多的金属间增生(intermetallicgrowth)而降低引脚的可焊接性。不要将元件存储在烘焙温度下的炉子内。记住，高温托盘可以在125°C之下烘焙，而低温托盘不能高于40°C。IPC的干燥包装之前的预烘焙推荐是：包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围8~28小时，或150°C烘焙4~14小时。包装厚度小于或等于2.0mm:对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围23~48小时，或150°C烘焙11~24小时。包装厚度小于或等于4.0mm:对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围48小时，或150°C烘焙24小时。IPC的车间寿命过期之后的后烘焙推荐是：包装厚度小于或等于1.4mm:对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围4~14小时，或40°C烘焙5~9天。包装厚度小于或等于2.0mm:对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围18~48小时，或40°C烘焙21~68天。包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a~5a级别，125°C的烘焙时间范围48小时，或40°C烘焙67或68天。通过了解IPC-M-109，潮湿敏感性元件标准与指引手册，可避免有关潮湿敏感性的问题。RobertRowland,isanSMTEditorialAdvisoryBoardmember,instructorandcoauthorofthebookAppliedSurfaceMountAssembly.HeiscurrentlytheprocessengineeringmanageratRadiSysCorp.inHillsboro,Ore.,andtechnicalconferencedirectorofSMTAInternational.HeisalsoanactivememberoftheSMTAandtheSurfaceMountCouncil,andarecipientoftheSMTAFoundersAward.Contacthimat(503)615-1354;E-mail:rob.rowland@.如何有效控制湿度敏感器件作者：王建国谭宇杰摘要：湿度敏感器件(MSD)对SMT生产直通率和产品的可靠性的影响不亚于ESD，所以认识MSD的重要性，深入了解MSD的损害机理，学习相关标准，通过规范化MSD的过程控制方法，避免由于吸湿造成在回流焊接过程中的元器件损坏来降低由此造成的产品不良率，提高产品的可靠性是SMT不可推脱的责任。关键字：湿度敏感器件，MSD，爆米花MSD的发展趋势电子制造行业的发展趋势使得MSD问题迫在眉睫。第一，新兴信息技术的产生和发展，对电子产品可靠性提出了更高的要求。由于对单一器件缺陷率的要求，在装配检测过程中不允许有明显的缺陷漏检率。第二，封装技术的不断变化导致湿度敏感器件和更高湿度等级的敏感器件的使用量在不断增加。比如：更短的发展周期、越来越小的封装尺寸、更细的间距、新型封装材料的使用、更大的发热量和尺寸更大的集成电路等。第三，面阵列封装器件（如：BGA,CSP）使用数量的不断增加更明显的影响着这一状况。因为面阵列封装器件趋向于采用卷带封装，每盘卷带可以容纳非常多的器件。与IC托盘封装相比，卷带封装无疑延长了器件的曝露时间。第四，虽然贴装无铅化颇具争议，但随着它的不断推进，也会给MSD的等级造成重大影响。无铅合金的回流峰值温度更高，它可能使MSD的湿度敏感性至少下降1或2个等级，所以必须重新确认现在的所有器件的品质。或许最大的原因莫过于产品大量定制化和物料外购化的大举推进。在PCB装配行业，这种现象转变为“高混合”型生产。通常，每种产品生产数量的减小导致了生产线的频繁切换，同时延长了湿度敏感器件的曝露时间。每当生产线切换为其他产品时，许多已经装到贴片机上的器件不得不拆下来。这就意味着，大量没有用完的托盘器件和卷带器件暂时储存起来以备后用。这些封装在托盘和卷带里的没有用完的湿度敏感器件，很可能在重返生产线并进行最后的焊接以前，就超过了其最大湿度容量。在装配和处理期间，不仅额外的曝露时间可以导致湿度过敏，而且干燥储存的时间长短也对此有影响。湿度敏感器件根据标准，MSD主要指非气密性（Non-Hermetic）SMD器件。包括塑料封装、其他透水性聚合物封装（环氧、有机硅树脂等）。一般IC、芯片、电解电容、LED等都属于非气密性SMD器件。MSD可分为6大类（表1）。对于各种等级的MSD，其首要区别在于FloorLife、体积大小及受此影响的回流焊接表面温度。影响MSL的因素主要有Dieattachmaterial/process、Numberofpins、Encapsulation（moldcompoundorglobtop）material/process、Diepadareaandshape、Bodysize、Passivation/diecoating、Leadframe/substrate/and/orheatspreaderdesign/material/finish、Diesize/thickness、Waferfabricationtechnology/process、Interconnect、Leadlocktapingsize/locationaswellasmaterial等0工程研究显示，经过温度曲线设置相同的焊接炉子时，体积较小的SMD器件达到的温度要比体积大的器件的温度高。因此体积偏小的器件会被划分到回流温度较高的一类。虽然采用热风对流回流焊可以减小这种由于封装大小造成的温度差异，但这种温度差异还是客观存在的。这里提到的“体积”为长X宽X高，这些尺寸不包括外部管脚，温度指的是器件上表面的温度。Level1不是湿度敏感器件。湿度敏感危害产品可靠性的原理在MSD暴露在大气中的过程中，大气中的水分会通过扩散渗透到湿度敏感器件的封装材料内部。当器件经过贴片贴装到PCB上以后，要流到回流焊炉内进行回流焊接。在回流区，整个器件要在183度以上30-90S左右，最高温度可能在210-235度（SnPb共晶），无铅焊接的峰值会更高，在245度左右。在回流区的高温作用下，器件内部的水分会快速膨胀，器件的不同材料之间的配合会失去调节，各种连接则会产生不良变化，从而导致器件剥离分层或者爆裂，于是器件的电气性能受到影响或者破坏。破坏程度严重者，器件外观变形、出现裂缝等（通常我们把这种现象形象的称作“爆米花”现象。像ESD破坏一样，大多数情况下，肉眼是看不出来这些变化的，而且在测试过程中，MSD也不会表现为完全失效。其原理可用图（1）和图（2）来描述。

-在空气中长时间曝露以后：水分渗透到器件封装材料内-回流焊接开始:Temp<100*0,器件表面温度渐增，水分慢慢聚集到结合部位-随着温度的升高:Temp>>100*0，水分蒸发，压力突增，导致剥离图（1）回流焊中MSD内水分的变化过程MSD涉及的制造工艺虽然MSD显得有点让人讨厌，但是完全没有必要谈“M”色变。知道了MSD的损害机理后，我们就足以可以做到有的放矢了。MSD只会在采用Convection、Convector/IR、IR、VPR的BulkReflow工艺过程受到影响，当然，在通过局部加热来拆除或者焊接器件的工艺过程中如“热风返工”的工艺中也要严格控制MSD的使用。其他诸如穿孔插入器件或者Socket固定的器件，以及仅仅通过加热管脚来焊接的工艺（在这种焊接过程中，整个器件吸收的热量相对来讲要小的多。）等，你完全可以“肆无忌惮”的使用MSD了。MSD标识和跟踪要控制MSD，首先要考虑的就是器件的正确标识。绝大多数情况下，器件制造商在MSD封装和防潮袋标识方面做了很多有益的工作。但是并非所有的厂商都遵循IPC/JEDEC标签标识方面的指导原则，实际上MSD的标识是百花齐放，有的仅仅采用手写在包装袋上来注明MSL，有的则用条形码来记录MSL，有些索性就没有任何标示，或者是收到物料时器件没有进行防潮包装。如果收到物料时，器件没有进行防潮包装，或者包装袋上没有进行恰当的标识，那么这些物料很可能被认为是非湿度敏感的，这就非常危险了。避免这种情况的唯一措施就是建立包括所有MSD的数据库，以确保来料接受或来料检测时物料是被正确

包装的。除了通过观察原包装上的标签，没有其他更便利的措施来获得给定器件的湿度敏感性信息，因此，建立和维护MSD数据库本身就是一个挑战性的工作。图（2）引线剥离放大示意图LEVELFLOORLIFETIMECONDITIONS1Unlimited<30cC.-^%RH21year<30cC-60%RH2a4weeks<30cC.-60%RH3168hours<30cC.-60%RH472hcnirs<30cC.-60%RH54Hhcnirs<30cC-60%RH物24hcmrs<30cC/60%RH6TimeonLabel■:tolj<30cC-60%RH表1MSD分类及FloorLife其次，一旦把器件从防潮保护袋中拿出来，就很难再次确认哪些是湿度敏感器件。为了获得任何可能的控制措施，很有必要为物料处理人员和操作工提供便利和可靠的方法以获得物料编码以及相关的信息，包括湿度敏感等级。根据JEDEC/EIAJ标准规定，大部分MSD都被封装在塑料IC托盘内。不幸的是，IC托盘没有足够的空间来贴标签，大多数情况下，人们直接把几张纸或者不干胶标签贴在货架、喂料器、防潮柜或者袋子上来区分每种托盘。经过不同的流程以后，器件相关的所有信息必须从原始的标签完整的保留下来。在跟踪托盘物料封装和由此导致的人为错误的过程中，会遇到巨大的困难，有过SMT生产线经历的人对此深有感触。再者，MSD分为六类，根据标准，每一类控制方法也相差很大；同时，一个生产工厂内的操作人员上千人，每个人的认知水平和知识水平都不一样，所以要保证每个人都对MSD了如指掌，操作不出现任何失误，实在是一个庞大的工程。在实际的操作中，我们摸索出了一个简单而实用的标识方法。首先，对所有与此操作相关的人员不断培训和考核，至少保证其知道MSD是怎么一回事。其次，直到MSD规范操作的规章制度，奖罚分明。再者，建立MSD准数据库，由专人负责定期将MSD列表发布给相关部门。根据实际的生产情况，大多数MSD的MSL为3级，为了简化操作，除了特别指明外，所有MSD以Level3的方法进行处理和操作，这样就使得MSD的标识非常简单。由于我们公司采用SAP系统，物料在入司的时候，收获库会在每盘物料的包装上贴上一个SAP标签（SAP标签包括物料编码、物料描述等信息，格式是死的）操作人员会根据MSD列表中列出的MSD清单，把所有MSD的标签都使用醒目的黄色标签，其他物料全部使用白色标签。SAP标签是唯一的，而且与每种物料一一对应，不论物料走到哪里，SAP标签也跟到哪里，从而保证MSD受到全程标识和跟踪。为了确保物料在特定的时间内组装，组装人员可能会完全依靠物流管理层来进行控制，这是最糟糕的做法。在某些时期，这种做法还可以接受，但随着器件制造工艺的变化和产品多样化的激增，这种做法的危害性也随之增加。由于组装人员根本没有对器件的存储和使用信息进行跟踪，所以他们也不知道物料曝露了多久，更不了解已经超过拆封寿命的MSD的比例是多少。这种做法的危害到底有多大，下面是一个例子。假设每块成品需要一个BGA，现在取出一盘（卷带包装）BGA，和大部分PBGA一样，其湿度等级为4,拆封寿命72小时。这就意味着，一旦器件被装到到贴片机上，生产线的生产率必须大于12块/小时。为了在器件失效以前完成生产，一天24小时，必须连续三天不停机生产。同时必须考虑SMT生产线上料调试（可望不进行离线上料）以及其他常见的情况所导致的器件曝露时间，如生产计划的变化，缺料和机器故障等。其次，还必须考虑大多数生产情况：每天进行一个或更多的产品切换，导致多次更换物料。由于同一盘料被多次从贴片机上换上换下，使器件的曝露时间成倍增加。在整个曝露时间中，还必须考虑干燥储存的时间，下面会提到这个问题。当考虑了器件各个方面的实际寿命以后，会发现在回流焊以前超过拆封寿命的器件，其数量占据非常大的比例。因此，在生产过程中，必须要求操作工在SAP标签上手工记录元器件首次从防潮保护袋拆出的日期和时间，并注明截至日期。在截至时间内，没有用完的物料必须放在防潮柜内。如果使用的元器件超过了截至日期，必须按照规定进行烘烤。配送适量的物料为了确保物料在当班8小时内完成贴装，物料配送数量在保证生产的同时，保证上线物料数目最小的原则。如果在8小时以内，仍然有器件曝露在工作环境中，则还有机会退回到干燥环境中进行充足的干燥保存。因此，在每次配料时，必须详细计算每个MSD的数量，当然要考虑不良物料的比率。MSD存储问题通常，物料从贴片机上拆下以后，在再次使用以前，会一直存放在干燥的环境里，比如干燥箱，或者和干燥剂一起重新封装。很多组装人员认为，在器件保存在干燥环境以后，可以停止统计器件的曝露时间。其实，只有在器件以前就是干燥的情况下，才可以这样做。事实上，一旦器件曝露相当长一段时间后（一小时以上），所吸收的湿气会停留在器件的封装里面，并慢慢渗透到器件的内部，从而很可能对器件造成破坏。最近的调查结果清晰的表明，器件在干燥环境下的时间与在环境中的曝露时间同样重要。最近，朗讯科技的Shook和Goodelle发表了与此相关的论文，论道精辟。有例子表明，湿度等级为5（正常的拆封寿命为48小时）的PLCC器件，干燥保存70小时以后，实际上，仅仅曝露16个小时，便超过了其致命湿度水平。研究表明，SMD器件从MBB内取出以后，其FloorLife与外部环境状况呈一定的函数关系。保守的讲，较安全的作法就是严格按照表1对器件进行控制。但是外部环境经常会发生变化，实际的环境状况满足不了表1中规定的要求。表2列出了随着外部或者储存环境的变化，器件FloorLife的相应变化。表2器件在不同温度、湿度下的FloorLife（摘自IPC/JEDEC标准）I最大相对湿度MoisturePackageTypean<lSensitivityBodyThicknessLgv&I5%10%20%30%40%50%60%70^50%90%wgoc6041332S107630CLmvel2aoecw5342361410826'Cwgcw10369574719131020Coe109a7754430'CBodyThickness>3.1mmincludingPQFPs>84pins.Lex-el3wwg-131711141Q133192£6526'C20Coe444332230'CPLCCsisquare'iLmE4w555543326'CAllMQFPsg7777644WCTCorw43322221130CAllEGAsi'1itiitiLmE5oe57-443322226'Cg77655433320Cw21111111130CLeviel5ag•32222211126'Coe54333222220'Cggcwgfi6392fi43230'CLmvel2aoecwg148513764326'Coegcwg8694985420'Cgg19129872230'CBody2.1itiitiLe\riel3oeg2515121093326'C普Thicknessw32191613125420C<3.1itiitiindudingPLCG&(rectongulcirjLe\-iel4oewJ言43322130'C25'CpinsSOICs(widebody)SOICs£20pins.w119766643320Cw43322211130CPQFPs^80pinsLevel5w54333321125'Coe65544433220'Cw21111110.50.630CLevel5cioe22222211126'Coe32222222120'Coegcw448GO2811130'CLevel2ooegcwg8GOoc21126'Cwgcwg8■>：-822120Coe-oc44811711130'CBodyThickness<2.1mmincludingSOICspinsLex-el3wggcwgg8814201u13126'CWCTCwgoc964311130CAllTQFPs.TSOPsLex-el4wgoc1275421126'Cor8cw17976221WCTCallEGAs<1itiitibodyw135?l2211130CthicknessLevel581863321126'Coog26865422120Coc1032111110.530'CLmvel5a81353211126'Coe1864322120C如果MSD器件以前没有受潮，而且拆封后曝露的时间很短（30分钟以内），曝露环境湿度也没有超过30°C/60%,那么用干燥箱或防潮袋对器件继续存储即可。如果采用干燥袋存储，只要曝露时间不超过30分钟，原来的干燥剂还可以继续使用。对于Levels2〜4的MSD,只要曝露时间不超过12小时，则其重新干燥处理的保持时间为5倍的曝露时间。干燥介质可以是足够多的干燥剂，也可以采用干燥柜对器件进行干燥，干燥柜的内部湿度要保持在10%RH以内。另外，对于Levels2、2a或者3,如果曝露时间不超过规定的FloorLife，器件放在＜10%RH的干燥箱内的那段时间，或者放在干燥袋的那段时间，不应再计算在曝露时间内。对于Levels5〜5a的MSD，只要曝露时间不超过8小时，则其重新干燥处理的保持时间为10倍的曝露时间。可以用足够多的干燥剂来对器件进行干燥，也可以采用干燥柜对器件进行干燥，干燥柜的内部湿度要保持在5%RH以内。干燥处理以后可以从零开始计算器件的曝露时间。如果干燥柜的湿度保持在5%RH以下，这样相当于存储在完整无损的MBB内，其ShelfLife不受限制。MSD包装许多公司会选择对没有用完的MSD重新打包，根据标准要求，打包的基本物资条件有MBB、干燥剂、HIC等，不同等级的MSD其打包的要求是不一样的。如表3所示。表3MSD打包要求LevelDryBeforeBagMBBDesiccantMSID*LabelCautionLabel1OptionalOptionalOpticmalNi：itRequiredNotRequiredifclassifiedat220D-225°CRequired1Aifclassifiedatotherthan2201,-22护C2OptionalRequiredRequiredRequiredRequired2a-5aRequiredRequiredRequiredRequiredRequired6OptionalOptionalOpticmalRequiredRequired在用MBB密封以前，Level2a〜5a的器件必须进行干燥（除湿）处理。干燥处理的方法一般是采用烘干机进行烘烤。由于盛放器件的料盘，如：Tray盘、Tube、Reel卷带等，和器件一块儿放入MBB时，会影响湿度等级，因此作为补偿，这些料盘也要进行干燥处理。MSD的干燥方法一般采用的干燥方法是在一定的温度下对器件进行一定时间的恒温烘干处理。也可以利用足够多的干燥剂来对器件进行干燥除湿。根据器件的湿度敏感等级、大小和周围环境湿度状况，不同的MSD的烘干过程也各不相同。按照要求对器件干燥处理以后，MSD的ShelfLife