如何有效控制濕度敏感器件

　　濕度敏感器件(MSD)對(duì)smt生產(chǎn)直通率和產(chǎn)品的可靠性的影響不亞于ESD，所以認(rèn)識(shí)MSD的重要性，深入了解MSD的損害機(jī)理，學(xué)習(xí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)規(guī)范化MSD的過(guò)程控制方法，避免由于吸濕造成在回流焊接過(guò)程中的元器件損壞來(lái)降低由此造成的產(chǎn)品不良率，提高產(chǎn)品的可靠性是SMT不可推脫的責(zé)任。

　　MSD的發(fā)展趨勢(shì)

　　電子制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)使得MSD問(wèn)題迫在眉睫。第一，新興信息技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，對(duì)電子產(chǎn)品可靠性提出了更高的要求。由于對(duì)單一器件缺陷率的要求，在裝配檢測(cè)過(guò)程中不允許有明顯的缺陷漏檢率。第二，封裝技術(shù)的不斷變化導(dǎo)致濕度敏感器件和更高濕度等級(jí)的敏感器件的使用量在不斷增加。比如：更短的發(fā)展周期、越來(lái)越小的封裝尺寸、更細(xì)的間距、新型封裝材料的使用、更大的發(fā)熱量和尺寸更大的集成電路等。第三，面陣列封裝器件(如：BGA ,CSP)使用數(shù)量的不斷增加更明顯的影響著這一狀況。因?yàn)槊骊嚵蟹庋b器件趨向于采用卷帶封裝，每盤卷帶可以容納非常多的器件。與IC托盤封裝相比，卷帶封裝無(wú)疑延長(zhǎng)了器件的曝露時(shí)間。第四，雖然貼裝無(wú)鉛化頗具爭(zhēng)議，但隨著它的不斷推進(jìn)，也會(huì)給MSD的等級(jí)造成重大影響。無(wú)鉛合金的回流峰值溫度更高，它可能使MSD的濕度敏感性至少下降1或2個(gè)等級(jí)，所以必須重新確認(rèn)現(xiàn)在的所有器件的品質(zhì)。

　　或許最大的原因莫過(guò)于產(chǎn)品大量定制化和物料外購(gòu)化的大舉推進(jìn)。在PCB裝配行業(yè)，這種現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;高混合”型生產(chǎn)。通常，每種產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量的減小導(dǎo)致了生產(chǎn)線的頻繁切換，同時(shí)延長(zhǎng)了濕度敏感器件的曝露時(shí)間。每當(dāng)生產(chǎn)線切換為其他產(chǎn)品時(shí)，許多已經(jīng)裝到貼片機(jī)上的器件不得不拆下來(lái)。這就意味著，大量沒(méi)有用完的托盤器件和卷帶器件暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)以備后用。這些封裝在托盤和卷帶里的沒(méi)有用完的濕度敏感器件，很可能在重返生產(chǎn)線并進(jìn)行最后的焊接以前，就超過(guò)了其最大濕度容量。在裝配和處理期間，不僅額外的曝露時(shí)間可以導(dǎo)致濕度過(guò)敏，而且干燥儲(chǔ)存的時(shí)間長(zhǎng)短也對(duì)此有影響。

　　濕度敏感器件

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，MSD主要指非氣密性(Non-Hermetic)SMD器件。包括塑料封裝、其他透水性聚合物封裝(環(huán)氧、有機(jī)硅樹脂等)。一般IC、芯片、電解電容、LED等都屬于非氣密性SMD器件。

　　MSD可分為6大類。對(duì)于各種等級(jí)的MSD,其首要區(qū)別在于Floor Life、體積大

　　小及受此影響的回流焊接表面溫度。影響MSL的因素主要有Die attach material/process、Number of pins、Encapsulation (mold compound or glob top) material/process、Die pad area and shape、Body size、Passivation/die coating、Leadframe/substrate/and/or heat spreader design/material/finish、Die size/thickness、Wafer fabrication technology/process、Interconnect、Lead lock taping size/location as well as material等。

　　工程研究顯示，經(jīng)過(guò)溫度曲線設(shè)置相同的焊接爐子時(shí)，體積較小的 SMD器件達(dá)到的溫度要比體積大的器件的溫度高。因此體積偏小的器件會(huì)被劃分到回流溫度較高的一類。雖然采用熱風(fēng)對(duì)流回流焊可以減小這種由于封裝大小造成的溫度差異，但這種溫度差異還是客觀存在的。這里提到的“體積”為長(zhǎng)×寬×高，這些尺寸不包括外部管腳，溫度指的是器件上表面的溫度。

　　Level 1不是濕度敏感器件。

　　濕度敏感危害產(chǎn)品可靠性的原理

　　在MSD暴露在大氣中的過(guò)程中，大氣中的水分會(huì)通過(guò)擴(kuò)散滲透到濕度敏感器件的封裝材料內(nèi)部。當(dāng)器件經(jīng)過(guò)貼片貼裝到PCB上以后，要流到回流焊爐內(nèi)進(jìn)行回流焊接。在回流區(qū)，整個(gè)器件要在183度以上30-90s左右，最高溫度可能在210-235度(SnPb共晶)，無(wú)鉛焊接的峰值會(huì)更高，在245度左右。在回流區(qū)的 高溫作用下，器件內(nèi)部的水分會(huì)快速膨脹，器件的不同材料之間的配合會(huì)失去調(diào)節(jié)，各種連接則會(huì)產(chǎn)生不良變化，從而導(dǎo)致器件剝離分層或者爆裂，于是器件的電氣性能受到影響或者破壞。破壞程度嚴(yán)重者，器件外觀變形、出現(xiàn)裂縫等(通常我們把這種現(xiàn)象形象的稱作“爆米花”現(xiàn)象)。像ESD破壞一樣，大多數(shù)情況下，肉眼是看不出來(lái)這些變化的，而且在測(cè)試過(guò)程中，MSD也不會(huì)表現(xiàn)為完全失效。

　　MSD涉及的制造工藝

　　雖然MSD顯得有點(diǎn)讓人討厭，但是完全沒(méi)有必要談“M”色變。知道了MSD的損害機(jī)理后，我們就足以可以做到有的放矢了。

　　MSD只會(huì)在采用Convection、Convector/IR、IR、VPR的 Bulk Reflow工藝過(guò)程受到影響，當(dāng)然，在通過(guò)局部加熱來(lái)拆除或者焊接器件的工藝過(guò)程中------如“熱風(fēng)返工”的工藝中也要嚴(yán)格控制MSD的使用。其他諸如穿孔插入器件或者Socket固定的器件，以及僅僅通過(guò)加熱管腳來(lái)焊接的工藝(在這種焊接過(guò)程中，整個(gè)器件吸收的熱量相對(duì)來(lái)講要小的多。)等，你完全可以“肆無(wú)忌憚”的使用MSD了。

　　MSD標(biāo)識(shí)和跟蹤

　　要控制MSD，首先要考慮的就是器件的正確標(biāo)識(shí)。絕大多數(shù)情況下，器件制造商在MSD封裝和防潮袋標(biāo)識(shí)方面做了很多有益的工作。但是并非所有的廠商都遵循IPC/JEDEC標(biāo)簽標(biāo)識(shí)方面的指導(dǎo)原則，實(shí)際上MSD的標(biāo)識(shí)是百花齊放，有的僅僅采用手寫在包裝袋上來(lái)注明MSL，有的則用條形碼來(lái)記錄MSL，有些索性就沒(méi)有任何標(biāo)示，或者是收到物料時(shí)器件沒(méi)有進(jìn)行防潮包裝。如果收到物料時(shí)，器件沒(méi)有進(jìn)行防潮包裝，或者包裝袋上沒(méi)有進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臉?biāo)識(shí)，那么這些物料很可能被認(rèn)為是非濕度敏感的，這就非常危險(xiǎn)了。避免這種情況的唯一措施就是建立包括所有MSD的數(shù)據(jù)庫(kù)，以確保來(lái)料接受或來(lái)料檢測(cè)時(shí)物料是被正確包裝的。除了通過(guò)觀察原包裝上的標(biāo)簽，沒(méi)有其他更便利的措施來(lái)獲得給定器件的濕度敏感性信息，因此，建立和維護(hù)MSD數(shù)據(jù)庫(kù)本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)性的工作。

　　其次，一旦把器件從防潮保護(hù)袋中拿出來(lái)，就很難再次確認(rèn)哪些是濕度敏感器件。為了獲得任何可能的控制措施，很有必要為物料處理人員和操作工提供便利和可靠的方法以獲得物料編碼以及相關(guān)的信息，包括濕度敏感等級(jí)。根據(jù)JEDEC/EIAJ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大部分MSD都被封裝在塑料IC托盤內(nèi)。不幸的是，IC托盤沒(méi)有足夠的空間來(lái)貼標(biāo)簽，大多數(shù)情況下，人們直接把幾張紙或者不干膠標(biāo)簽貼在貨架、喂料器、防潮柜或者袋子上來(lái)區(qū)分每種托盤。經(jīng)過(guò)不同的流程以后，器件相關(guān)的所有信息必須從原始的標(biāo)簽完整的保留下來(lái)。在跟蹤托盤物料封裝和由此導(dǎo)致的人為錯(cuò)誤的過(guò)程中，會(huì)遇到巨大的困難，有過(guò)SMT生產(chǎn)線經(jīng)歷的人對(duì)此深有感觸。

　　再者，MSD分為六類，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，每一類控制方法也相差很大;同時(shí)，一個(gè)生產(chǎn)工廠內(nèi)的操作人員上千人，每個(gè)人的認(rèn)知水平和知識(shí)水平都不一樣，所以要保證每個(gè)人都對(duì)MSD了如指掌，操作不出現(xiàn)任何失誤，實(shí)在是一個(gè)龐大的工程。

　　在實(shí)際的操作中，我們摸索出了一個(gè)簡(jiǎn)單而實(shí)用的標(biāo)識(shí)方法。 首先，對(duì)所有與此操作相關(guān)的人員不斷培訓(xùn)和考核，至少保證其知道MSD是怎么一回事。其次，直到MSD規(guī)范操作的規(guī)章制度，獎(jiǎng)罰分明。再者，建立MSD準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，由專人負(fù)責(zé)定期將MSD列表發(fā)布給相關(guān)部門。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況，大多數(shù)MSD的MSL為3級(jí)，為了簡(jiǎn)化操作，除了特別指明外，所有MSD以 Level 3的方法進(jìn)行處理和操作，這樣就使得MSD的標(biāo)識(shí)非常簡(jiǎn)單。由于我們公司采用SAP系統(tǒng)，物料在入司的時(shí)候，收獲庫(kù)會(huì)在每盤物料的包裝上貼上一個(gè)SAP標(biāo)簽(SAP標(biāo)簽包括物料編碼、物料描述等信息，格式是死的)，操作人員會(huì)根據(jù)MSD列表中列出的MSD清單，把所有MSD的標(biāo)簽都使用醒目的黃色標(biāo)簽，其他物料全部使用白色標(biāo)簽。SAP標(biāo)簽是唯一的，而且與每種物料一一對(duì)應(yīng)，不論物料走到哪里，SAP標(biāo)簽也跟到哪里，從而保證MSD受到全程標(biāo)識(shí)和跟蹤。

　　為了確保物料在特定的時(shí)間內(nèi)組裝，組裝人員可能會(huì)完全依靠物流管理層來(lái)進(jìn)行控制，這是最糟糕的做法。在某些時(shí)期，這種做法還可以接受，但隨著器件制造工藝的變化和產(chǎn)品多樣化的激增，這種做法的危害性也隨之增加。由于組裝人員根本沒(méi)有對(duì)器件的存儲(chǔ)和使用信息進(jìn)行跟蹤，所以他們也不知道物料曝露了多久，更不了解已經(jīng)超過(guò)拆封壽命的MSD的比例是多少

　　這種做法的危害到底有多大，下面是一個(gè)例子。假設(shè)每塊成品需要一個(gè)BGA，現(xiàn)在取出一盤(卷帶包裝)BGA，和大部分PBGA一樣，其濕度等級(jí)為4，拆封壽命72小時(shí)。這就意味著，一旦器件被裝到到貼片機(jī)上，生產(chǎn)線的生產(chǎn)率必須大于12塊/小時(shí)。為了在器件失效以前完成生產(chǎn)，一天24小時(shí)，必須連續(xù)三天不停機(jī)生產(chǎn)。同時(shí)必須考慮SMT生 產(chǎn)線上料調(diào)試(可望不進(jìn)行離線上料)以及其他常見的情況所導(dǎo)致的器件曝露時(shí)間，如生產(chǎn)計(jì)劃的變化，缺料和機(jī)器故障等。其次，還必須考慮大多數(shù)生產(chǎn)情況：每 天進(jìn)行一個(gè)或更多的產(chǎn)品切換，導(dǎo)致多次更換物料。由于同一盤料被多次從貼片機(jī)上換上換下，使器件的曝露時(shí)間成倍增加。在整個(gè)曝露時(shí)間中，還必須考慮干燥儲(chǔ)存的時(shí)間，下面會(huì)提到這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)考慮了器件各個(gè)方面的實(shí)際壽命以后，會(huì)發(fā)現(xiàn)在回流焊以前超過(guò)拆封壽命的器件，其數(shù)量占據(jù)非常大的比例。

　　因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，必須要求操作工在SAP標(biāo)簽上手工記錄元器件首次從防潮保護(hù)袋拆出的日期和時(shí)間，并注明截至日期。在截至?xí)r間內(nèi)，沒(méi)有用完的物料必須放在防潮柜內(nèi)。如果使用的元器件超過(guò)了截至日期，必須按照規(guī)定進(jìn)行烘烤。

　　配送適量的物料

　　為了確保物料在當(dāng)班8小時(shí)內(nèi)完成貼裝，物料配送數(shù)量在保證生產(chǎn)的同時(shí)，保證上線物料數(shù)目最小的原則。如果在8小時(shí)以內(nèi)，仍然有器件曝露在工作環(huán)境中，則還有機(jī)會(huì)退回到干燥環(huán)境中進(jìn)行充足的干燥保存。因此，在每次配料時(shí)，必須詳細(xì)計(jì)算每個(gè)MSD的數(shù)量，當(dāng)然要考慮不良物料的比率。

　　MSD存儲(chǔ)問(wèn)題

　　通常，物料從貼片機(jī)上拆下以后，在再次使用以前，會(huì)一直存放在干燥的環(huán)境里，比如干燥箱，或者和干燥劑一起重新封裝。很多組裝人員認(rèn)為，在器件保存在干燥環(huán)境以后，可以停止統(tǒng)計(jì)器件的曝露時(shí)間。其實(shí)，只有在器件以前就是干燥的情況下，才可以這樣做。事實(shí)上，一旦器件曝露相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后(一小時(shí)以上)，所吸收的濕氣會(huì)停留在器件的封裝里面，并慢慢滲透到器件的內(nèi)部，從而很可能對(duì)器件造成破 壞。

　　最近的調(diào)查結(jié)果清晰的表明，器件在干燥環(huán)境下的時(shí)間與在環(huán)境中的曝露時(shí)間同樣重要。最近，朗訊科技的Shook和Goodelle發(fā)表了與此相關(guān)的論文，論道精辟。有例子表明，濕度等級(jí)為5(正常的拆封壽命為48小時(shí))的PLCC器件，干燥保存70小時(shí)以后，實(shí)際上，僅僅曝露16個(gè)小時(shí)，便超過(guò)了其致命濕度水平。

　　研究表明，SMD器件從MBB內(nèi)取出以后，其Floor Life與外部環(huán)境狀況呈一定的函數(shù)關(guān)系。保守的講，較安全的作法就是嚴(yán)格對(duì)器件進(jìn)行控制。但是外部環(huán)境經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，實(shí)際的環(huán)境狀況滿足不了規(guī)定的要求。隨著外部或者儲(chǔ)存環(huán)境的變化，器件Floor Life的相應(yīng)變化。

　　如果MSD器件以前沒(méi)有受潮，而且拆封后曝露的時(shí)間很短(30分鐘以內(nèi))，曝露環(huán)境濕度也沒(méi)有超過(guò)30℃/60%,那么用干燥箱或防潮袋對(duì)器件繼續(xù)存儲(chǔ)即可。如果采用干燥袋存儲(chǔ)，只要曝露時(shí)間不超過(guò)30分鐘，原來(lái)的干燥劑還可以繼續(xù)使用。

　　對(duì)于Levels 2～4的MSD，只要曝露時(shí)間不超過(guò)12小時(shí)，則其重新干燥處理的保持時(shí)間為5倍的曝露時(shí)間。干燥介質(zhì)可以是足夠多的干燥劑，也可以采用干燥柜對(duì)器件進(jìn)行干燥，干燥柜的內(nèi)部濕度要保持在10%RH以內(nèi)。

　　另外，對(duì)于Levels 2、2a或者3，如果曝露時(shí)間不超過(guò)規(guī)定的Floor Life，器件放在≤10%RH的干燥箱內(nèi)的那段時(shí)間，或者放在干燥袋的那段時(shí)間，不應(yīng)再計(jì)算在曝露時(shí)間內(nèi)。

　　對(duì)于Levels 5～5a的MSD，只要曝露時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)，則其重新干燥處理的保持時(shí)間為10倍的曝露時(shí)間。可以用足夠多的干燥劑來(lái)對(duì)器件進(jìn)行干燥，也可以采用干燥柜對(duì)器件進(jìn)行干燥，干燥柜的內(nèi)部濕度要保持在5%RH以內(nèi)。干燥處理以后可以從零開始計(jì)算器件的曝露時(shí)間。

　　如果干燥柜的濕度保持在5%RH以下，這樣相當(dāng)于存儲(chǔ)在完整無(wú)損的MBB內(nèi)，其Shelf Life不受限制。

　　MSD包裝

　　許多公司會(huì)選擇對(duì)沒(méi)有用完的MSD重新打包，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，打包的基本物資條件有MBB、干燥劑、HIC等，不同等級(jí)的MSD其打包的要求是不一樣的。如表3所示。

　　在用MBB密封以前，Level 2a～5a的器件必須進(jìn)行干燥(除濕)處理。干燥處理的方法一般是采用烘干機(jī)進(jìn)行烘烤。

　　由于盛放器件的料盤，如：Tray盤、Tube、Reel卷帶等，和器件一塊兒放入MBB時(shí)，會(huì)影響濕度等級(jí)，因此作為補(bǔ)償，這些料盤也要進(jìn)行干燥處理。

　　MSD的干燥方法

　　一般采用的干燥方法是在一定的溫度下對(duì)器件進(jìn)行一定時(shí)間的恒溫烘干處理。也可以利用足夠多的干燥劑來(lái)對(duì)器件進(jìn)行干燥除濕。

　　根據(jù)器件的濕度敏感等級(jí)、大小和周圍環(huán)境濕度狀況，不同的MSD的烘干過(guò)程也各不相同。按照要求對(duì)器件干燥處理以后，MSD的Shelf Life和Floor Life可以從零開始計(jì)算。

　　當(dāng)MSD曝露時(shí)間超過(guò)Floor Life，或者其他情況導(dǎo)致MSD周圍的溫度/濕度超出要求以后，其烘干方法具體可參照最新的IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。如果器件要密封到MBB里面，必須在密封前進(jìn)行烘干。Level 6 的MSD在使用前必須重新烘干，然后根據(jù)濕度敏感警示標(biāo)志上的說(shuō)明在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行回流焊接。

　　對(duì)MSD進(jìn)行烘烤時(shí)要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　~ 一般裝在高溫料盤(如高溫Tray盤)里面的器件都可以在125℃溫度下進(jìn)行烘烤，除非廠商特殊注明了溫度。Tray盤上面一般注有最高烘烤溫度。

　　~ 裝在低溫料盤(如低溫Tray盤、管筒、卷帶)內(nèi)的器件其烘烤溫度不能高于40℃，否則料盤會(huì)受到高溫?fù)p壞。

　　~ 在125℃高溫烘烤以前要把紙/塑料袋/盒拿掉。

　　~ 烘烤時(shí)注意ESD(靜電敏感)保護(hù)，尤其烘烤以后，環(huán)境特別干燥，最容易產(chǎn)生靜電。

　　~ 烘烤時(shí)務(wù)必控制好溫度和時(shí)間。如果溫度過(guò)高，或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很容易使器件氧化，或著在器件內(nèi)部接連處產(chǎn)生金屬間化合物，從而影響器件的焊接性。

　　~ 烘烤期間，注意不能導(dǎo)致料盤釋放出不明氣體，否則會(huì)影響器件的焊接性。

　　~ 烘烤期間一定要作好烘烤記錄，以便控制好烘烤時(shí)間。

　　MSD的返修

　　如果要拆掉主板上的器件，最好采用局部加熱，器件的表面溫度控制在200℃以內(nèi)，以減小濕度造成的損壞。如果有些器件的溫度要超過(guò)200℃，而且超過(guò)了規(guī)定的Floor Life，在返工前要對(duì)主板進(jìn)行烘烤，烘烤方法見下段介紹;在Floor Life以內(nèi)，器件所能經(jīng)受的溫度和回流焊接所能承受的溫度一樣。

　　如果拆除器件是為了進(jìn)行缺陷分析，一定要遵循上面的建議，否則濕度造成的損壞會(huì)掩蓋本來(lái)的缺陷原因。

　　如果器件拆除以后要回收再用，更要遵循上面的建議。MSD經(jīng)過(guò)若干次回流焊接或返工后，并不能代替烘干處理。

　　有些SMD器件和主板不能承受長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤，如一些FR-4材料，不能承受24小時(shí)125℃的烘烤;一些電池和電解電容也對(duì)溫度很敏感。綜合考慮這些因素，選擇合適的烘烤方法。