如何有效控制濕度敏感器件

　　濕度敏感器件(MSD)對smt生產直通率和產品的可靠性的影響不亞于ESD，所以認識MSD的重要性，深入了解MSD的損害機理，學習相關標準，通過規范化MSD的過程控制方法，避免由于吸濕造成在回流焊接過程中的元器件損壞來降低由此造成的產品不良率，提高產品的可靠性是SMT不可推脫的責任。

　　MSD的發展趨勢

　　電子制造行業的發展趨勢使得MSD問題迫在眉睫。第一，新興信息技術的產生和發展，對電子產品可靠性提出了更高的要求。由于對單一器件缺陷率的要求，在裝配檢測過程中不允許有明顯的缺陷漏檢率。第二，封裝技術的不斷變化導致濕度敏感器件和更高濕度等級的敏感器件的使用量在不斷增加。比如：更短的發展周期、越來越小的封裝尺寸、更細的間距、新型封裝材料的使用、更大的發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)使用數量的不斷增加更明顯的影響著這一狀況。因為面陣列封裝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，卷帶封裝無疑延長了器件的曝露時間。第四，雖然貼裝無鉛化頗具爭議，但隨著它的不斷推進，也會給MSD的等級造成重大影響。無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個等級，所以必須重新確認現在的所有器件的品質。

　　或許最大的原因莫過于產品大量定制化和物料外購化的大舉推進。在PCB裝配行業，這種現象轉變為“高混合”型生產。通常，每種產品生產數量的減小導致了生產線的頻繁切換，同時延長了濕度敏感器件的曝露時間。每當生產線切換為其他產品時，許多已經裝到貼片機上的器件不得不拆下來。這就意味著，大量沒有用完的托盤器件和卷帶器件暫時儲存起來以備后用。這些封裝在托盤和卷帶里的沒有用完的濕度敏感器件，很可能在重返生產線并進行最后的焊接以前，就超過了其最大濕度容量。在裝配和處理期間，不僅額外的曝露時間可以導致濕度過敏，而且干燥儲存的時間長短也對此有影響。

　　濕度敏感器件

　　根據標準，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(環氧、有機硅樹脂等)。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。對于各種等級的MSD,其首要區別在于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，經過溫度曲線設置相同的焊接爐子時，體積較小的 SMD器件達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被劃分到回流溫度較高的一類。雖然采用熱風對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×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。

　　濕度敏感危害產品可靠性的原理

　　在MSD暴露在大氣中的過程中，大氣中的水分會通過擴散滲透到濕度敏感器件的封裝材料內部。當器件經過貼片貼裝到PCB上以后，要流到回流焊爐內進行回流焊接。在回流區，整個器件要在183度以上30-90s左右，最高溫度可能在210-235度(SnPb共晶)，無鉛焊接的峰值會更高，在245度左右。在回流區的 高溫作用下，器件內部的水分會快速膨脹，器件的不同材料之間的配合會失去調節，各種連接則會產生不良變化，從而導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。破壞程度嚴重者，器件外觀變形、出現裂縫等(通常我們把這種現象形象的稱作“爆米花”現象)。像ESD破壞一樣，大多數情況下，肉眼是看不出來這些變化的，而且在測試過程中，MSD也不會表現為完全失效。

　　MSD涉及的制造工藝

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

　　MSD只會在采用Convection、Convector/IR、IR、VPR的 Bulk Reflow工藝過程受到影響，當然，在通過局部加熱來拆除或者焊接器件的工藝過程中------如“熱風返工”的工藝中也要嚴格控制MSD的使用。其他諸如穿孔插入器件或者Socket固定的器件，以及僅僅通過加熱管腳來焊接的工藝(在這種焊接過程中，整個器件吸收的熱量相對來講要小的多。)等，你完全可以“肆無忌憚”的使用MSD了。

　　MSD標識和跟蹤

　　要控制MSD，首先要考慮的就是器件的正確標識。絕大多數情況下，器件制造商在MSD封裝和防潮袋標識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標簽標識方面的指導原則，實際上MSD的標識是百花齊放，有的僅僅采用手寫在包裝袋上來注明MSL，有的則用條形碼來記錄MSL，有些索性就沒有任何標示，或者是收到物料時器件沒有進行防潮包裝。如果收到物料時，器件沒有進行防潮包裝，或者包裝袋上沒有進行恰當的標識，那么這些物料很可能被認為是非濕度敏感的，這就非常危險了。避免這種情況的唯一措施就是建立包括所有MSD的數據庫，以確保來料接受或來料檢測時物料是被正確包裝的。除了通過觀察原包裝上的標簽，沒有其他更便利的措施來獲得給定器件的濕度敏感性信息，因此，建立和維護MSD數據庫本身就是一個挑戰性的工作。

　　其次，一旦把器件從防潮保護袋中拿出來，就很難再次確認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的信息，包括濕度敏感等級。根據JEDEC/EIAJ標準規定，大部分MSD都被封裝在塑料IC托盤內。不幸的是，IC托盤沒有足夠的空間來貼標簽，大多數情況下，人們直接把幾張紙或者不干膠標簽貼在貨架、喂料器、防潮柜或者袋子上來區分每種托盤。經過不同的流程以后，器件相關的所有信息必須從原始的標簽完整的保留下來。在跟蹤托盤物料封裝和由此導致的人為錯誤的過程中，會遇到巨大的困難，有過SMT生產線經歷的人對此深有感觸。

　　再者，MSD分為六類，根據標準，每一類控制方法也相差很大;同時，一個生產工廠內的操作人員上千人，每個人的認知水平和知識水平都不一樣，所以要保證每個人都對MSD了如指掌，操作不出現任何失誤，實在是一個龐大的工程。

　　在實際的操作中，我們摸索出了一個簡單而實用的標識方法。 首先，對所有與此操作相關的人員不斷培訓和考核，至少保證其知道MSD是怎么一回事。其次，直到MSD規范操作的規章制度，獎罰分明。再者，建立MSD準數據庫，由專人負責定期將MSD列表發布給相關部門。根據實際的生產情況，大多數MSD的MSL為3級，為了簡化操作，除了特別指明外，所有MSD以 Level 3的方法進行處理和操作，這樣就使得MSD的標識非常簡單。由于我們公司采用SAP系統，物料在入司的時候，收獲庫會在每盤物料的包裝上貼上一個SAP標簽(SAP標簽包括物料編碼、物料描述等信息，格式是死的)，操作人員會根據MSD列表中列出的MSD清單，把所有MSD的標簽都使用醒目的黃色標簽，其他物料全部使用白色標簽。SAP標簽是唯一的，而且與每種物料一一對應，不論物料走到哪里，SAP標簽也跟到哪里，從而保證MSD受到全程標識和跟蹤。

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

　　這種做法的危害到底有多大，下面是一個例子。假設每塊成品需要一個BGA，現在取出一盤(卷帶包裝)BGA，和大部分PBGA一樣，其濕度等級為4，拆封壽命72小時。這就意味著，一旦器件被裝到到貼片機上，生產線的生產率必須大于12塊/小時。為了在器件失效以前完成生產，一天24小時，必須連續三天不停機生產。同時必須考慮SMT生 產線上料調試(可望不進行離線上料)以及其他常見的情況所導致的器件曝露時間，如生產計劃的變化，缺料和機器故障等。其次，還必須考慮大多數生產情況：每 天進行一個或更多的產品切換，導致多次更換物料。由于同一盤料被多次從貼片機上換上換下，使器件的曝露時間成倍增加。在整個曝露時間中，還必須考慮干燥儲存的時間，下面會提到這個問題。當考慮了器件各個方面的實際壽命以后，會發現在回流焊以前超過拆封壽命的器件，其數量占據非常大的比例。

　　因此，在生產過程中，必須要求操作工在SAP標簽上手工記錄元器件首次從防潮保護袋拆出的日期和時間，并注明截至日期。在截至時間內，沒有用完的物料必須放在防潮柜內。如果使用的元器件超過了截至日期，必須按照規定進行烘烤。

　　配送適量的物料

　　為了確保物料在當班8小時內完成貼裝，物料配送數量在保證生產的同時，保證上線物料數目最小的原則。如果在8小時以內，仍然有器件曝露在工作環境中，則還有機會退回到干燥環境中進行充足的干燥保存。因此，在每次配料時，必須詳細計算每個MSD的數量，當然要考慮不良物料的比率。

　　MSD存儲問題

　　通常，物料從貼片機上拆下以后，在再次使用以前，會一直存放在干燥的環境里，比如干燥箱，或者和干燥劑一起重新封裝。很多組裝人員認為，在器件保存在干燥環境以后，可以停止統計器件的曝露時間。其實，只有在器件以前就是干燥的情況下，才可以這樣做。事實上，一旦器件曝露相當長一段時間后(一小時以上)，所吸收的濕氣會停留在器件的封裝里面，并慢慢滲透到器件的內部，從而很可能對器件造成破 壞。

　　最近的調查結果清晰的表明，器件在干燥環境下的時間與在環境中的曝露時間同樣重要。最近，朗訊科技的Shook和Goodelle發表了與此相關的論文，論道精辟。有例子表明，濕度等級為5(正常的拆封壽命為48小時)的PLCC器件，干燥保存70小時以后，實際上，僅僅曝露16個小時，便超過了其致命濕度水平。

　　研究表明，SMD器件從MBB內取出以后，其Floor Life與外部環境狀況呈一定的函數關系。保守的講，較安全的作法就是嚴格對器件進行控制。但是外部環境經常會發生變化，實際的環境狀況滿足不了規定的要求。隨著外部或者儲存環境的變化，器件Floor Life的相應變化。

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

　　對于Levels 2～4的MSD，只要曝露時間不超過12小時，則其重新干燥處理的保持時間為5倍的曝露時間。干燥介質可以是足夠多的干燥劑，也可以采用干燥柜對器件進行干燥，干燥柜的內部濕度要保持在10%RH以內。

　　另外，對于Levels 2、2a或者3，如果曝露時間不超過規定的Floor Life，器件放在≤10%RH的干燥箱內的那段時間，或者放在干燥袋的那段時間，不應再計算在曝露時間內。

　　對于Levels 5～5a的MSD，只要曝露時間不超過8小時，則其重新干燥處理的保持時間為10倍的曝露時間。可以用足夠多的干燥劑來對器件進行干燥，也可以采用干燥柜對器件進行干燥，干燥柜的內部濕度要保持在5%RH以內。干燥處理以后可以從零開始計算器件的曝露時間。

　　如果干燥柜的濕度保持在5%RH以下，這樣相當于存儲在完整無損的MBB內，其Shelf Life不受限制。

　　MSD包裝

　　許多公司會選擇對沒有用完的MSD重新打包，根據標準要求，打包的基本物資條件有MBB、干燥劑、HIC等，不同等級的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的器件必須進行干燥(除濕)處理。干燥處理的方法一般是采用烘干機進行烘烤。

　　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，會影響濕度等級，因此作為補償，這些料盤也要進行干燥處理。

　　MSD的干燥方法

　　一般采用的干燥方法是在一定的溫度下對器件進行一定時間的恒溫烘干處理。也可以利用足夠多的干燥劑來對器件進行干燥除濕。

　　根據器件的濕度敏感等級、大小和周圍環境濕度狀況，不同的MSD的烘干過程也各不相同。按照要求對器件干燥處理以后，MSD的Shelf Life和Floor Life可以從零開始計算。

　　當MSD曝露時間超過Floor Life，或者其他情況導致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標準。如果器件要密封到MBB里面，必須在密封前進行烘干。Level 6 的MSD在使用前必須重新烘干，然后根據濕度敏感警示標志上的說明在規定的時間內進行回流焊接。

　　對MSD進行烘烤時要注意以下幾個問題：

　　~ 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)內的器件其烘烤溫度不能高于40℃，否則料盤會受到高溫損壞。

　　~ 在125℃高溫烘烤以前要把紙/塑料袋/盒拿掉。

　　~ 烘烤時注意ESD(靜電敏感)保護，尤其烘烤以后，環境特別干燥，最容易產生靜電。

　　~ 烘烤時務必控制好溫度和時間。如果溫度過高，或時間過長，很容易使器件氧化，或著在器件內部接連處產生金屬間化合物，從而影響器件的焊接性。

　　~ 烘烤期間，注意不能導致料盤釋放出不明氣體，否則會影響器件的焊接性。

　　~ 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，以減小濕度造成的損壞。如果有些器件的溫度要超過200℃，而且超過了規定的Floor Life，在返工前要對主板進行烘烤，烘烤方法見下段介紹;在Floor Life以內，器件所能經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掩蓋本來的缺陷原因。

　　如果器件拆除以后要回收再用，更要遵循上面的建議。MSD經過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時間的高溫烘烤，如一些FR-4材料，不能承受24小時125℃的烘烤;一些電池和電解電容也對溫度很敏感。綜合考慮這些因素，選擇合適的烘烤方法。