潮湿敏感器件控制.doc

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深圳瑞斯康达科技发展有限公司

潮湿敏感器件(MSD)控制

一． 器件封装知识
二． 潮湿敏感原理和案例
三． 潮湿标准
四． 企业内部的潮敏器件控制规范
五． 潮湿器件常用英文知识说明

编制：于怀福

2006年4月28日

MSD控制意义

根据某公司器件物理失效数据统计，在各种应力（电、机械、环境、潮敏等）诱发的器件失效机制中，潮湿敏感失效占15%。在业界潮敏导致的失效所占的比例还要高。
随着器件封存装工艺的发展，越来越多低密水汽渗透率塑料材料的大
量使用，管脚数越来越密集，潮敏器件控制技术面临巨大挑战。

一．元器件封装知识
1．常见封装
器件设计要求高的集成度，生产加工要求更高的效率，使得目前的器件绝大部分都有是表面贴装封装，常见封装有：
贴片阻容件：
英制 公制
0603 1608
0805 2012
0402 1005
1206 3216
1210 3225
1812 4532
2225 5764
钽电容封装：
代码 EIA 代码
P 2012
A 3216
B 3528
C 6032
D 7343
E 7343H
IC封装：
SOP （引脚从封装两侧引出呈海鸥翅状(L字形)
TSOP （装配高度不到1.27mm的SOP）
SSOP （引脚中心距小于1.27mm的SOP）
QFP (四侧引脚扁平封装，2.0mm~3.6mm厚)
LQFP （1.4mm厚QFP）
TQFP （1.0mm厚QFP）
BGA （印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚）
PLCC （引脚从封装的四个侧面引出）
SOJ (J引脚小外形封装IC)

BGA ( Ball Grid Array)
Flip Chip
2. 常见封装结构

Die attach pad
Die attach
Leadframe
Wire bonds
Die
Mold compound
BGA 封装结构
Die Attach Adhesive
Wir Bonds
Epoxy Mold Compound
Plastic BGA

SOP/QFP封装结构

3. 塑封器件功能要求
器件封装的三大功能要求：
I． 电热能：传递芯片的电信号。
II． 散热功能：散发芯片内产生的热量。
III． 机械化学保护功能：保护芯片和键合丝。

4．塑封器件的可靠性
塑封器件可靠性差的原因：
塑料渗湿率高，潮气渗入塑料后，吸附在芯片面性和内引线表面，引起腐蚀失效。
塑料的热膨胀系数大于芯片和键合丝。在温度变化中，塑料与芯片，键合线的界面
会产生相对位移。虽然位移量很小，但足以造成键盘合丝移动，特别对直径为亚微
米级引线，能导致键合丝断裂失效。为了克服塑料的这些缺点，目前已在塑料中加
入适量的填料，以减小塑料的热膨胀系数，改善热导率，降低渗湿率和提高玻璃转
化温度Tg (Glass Transition Temperature).
*注：玻璃转化温度是指塑料的热膨胀系数随着温度的升高，产生突然变
化的某一温度，称为玻璃转化温度。

二．潮敏原理和失效因素
1. 潮敏失效机理
潮敏器件主要指在SMT生产的PSMD（Plastic Surface Mount Devices）,即塑封表面贴（封装）器件，潮敏是塑料封装表贴器件在高温焊接中表现出来的特殊失效现象。
集成电路封装中采用的热固性环氧材料看起来似乎是防潮的，但随着时间推移，IC上的塑料密封会从周围环境中吸收潮气，吸潮程度与实际塑料化合物成分，运输储藏条件及生产线环境地湿度等因素有关。
潮敏主要发生在回流焊接过程中，因为在回流焊过程中器件本体温度几乎等同于焊接温度，潮气会急剧膨胀导致器件分层，引线拉细甚至断裂。而波峰焊时器件本体的温度要小得多，不会导致潮敏失效。
塑料封装材料吸潮后，在高温条件下，特别是在回流焊接条件下，器件会经一个温度迅速升高的过程，其内部潮气就会迅速转变为蒸汽，气压的突变产生的应力将导致封装发生膨胀。封装的膨胀程度取决于塑料组成成分，实际吸收湿气的数量，焊接温度，加热速度以及塑料的厚度，当气压超过塑料化合物的弯曲强度时，就可能会导致引线被拉细甚至拉断，封装开裂，键合点抬起，或至少在界面间产生分层，这些都会导致器件的性能变差甚至是直接失效。
*注：烘烤时间不足将增加MSD失效风险！ 2. 失效因素
通常能引起潮敏失效的相关因素有：
I. 塑料材料与金属引脚的粘附不良,使潮气沿引脚到塑料的介面浸入芯片表面.
II. 塑料材料本身不致密,潮气从塑料中直接缓慢浸入芯片表面.
III. 芯片包装封装料过少,过薄,潮气容易浸入.
IV. 电路装入密封包装袋之前烘烤时间不够或者烘烤的温度过低.
V. 包装袋密封不良或者包装袋密封性受到破坏,潮气渗入袋内.
VI. 库房湿度超标,生产车间湿度超标,或包装袋拆封后,器件在空气中放置时间 过长.(不符合规范要求)
VII. 回流焊之前器件预热时间不够或者回流焊温度过高.

3. 潮气浸入的途径
A. 材料: 塑封材料不致密,潮气容易进入.
B. 结构: 塑封材料与金属引脚的粘附不良,使潮气沿引脚到塑料的介面浸入芯片面 表面.
C. 厚度：塑封材料越薄，潮气越容易进入。
D．环境：湿度越高，温度越高（低于水变汽温度时），潮气容易进入。

三．潮敏标准
1.潮敏标准介绍
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：
1） IPC/JEDEC J-STD-020 B塑料集成电路（IC）SMD的潮湿/回流敏感性分类。
2） IPC/JEDEC J-STD-033 A潮湿/回流敏感性SMD的处理，包装，装运和使用标准。
3） IPC/JEDEC J-STD-035非气密性封装元件的声学显微镜检查方法.
4） IPC-9501 电子元件的PWB装配焊接工艺指南.
5） IPC-9502 电子元件的PWB装配焊接工艺指南.
6） IPC-9503 非IC元件的潮湿敏感性分类.
7） 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,已不再使用了.
业界标准对比分析(IPC/JEDEC)
l J-STD-020C 非密封SMD 潮湿敏感分级标准;
l J-STD-033B 潮湿敏感器件包装,处理,运输及使用标准;
J-STD-020A
J-STD-033
J-STD-020C
J-STD-033B

差异点体现：潮湿环境MSD存放时间减小，烘烤时间增长，MSD干燥存放/MBB的湿度控制更加严格（8%->5%）

2. IPC/JEDEC J-STD-020B潮敏等级分类标准

潮湿敏感等级 （MSL）
车间寿命
1
无限制，≤ 30°C/85﹪RH(相对湿度)
2
1年, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
2a
4周, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
3
1周, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
4
72小时, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
5
48小时, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
5a
24小时, ≤ 30°C/60﹪RH(相对湿度)
6
使用前都要烘烤,烘烤后必须在潮敏警示标签上要求的时间内完成回流焊.

潮湿敏感等级: (MSL: MOISTURE SENSITIVITY LEVEL)
车间寿命: (FLOOR LIFE:器件拆封存后最长存放时间).

3. 车间寿命降额及包装要求
器件的潮敏等级是在30°C/60﹪RH 环境下实验确定的,但实际的车间湿度可能更高, 因此J-STD-033A给出了降额标准.
J-STD-033A对潮敏器件的包装要求如下:
潮敏等级
防潮包装袋(MBB)
干燥材料 (Desiccant)
湿度指示卡 (HIC)
潮敏标签 (MSIL)
警告标签 (Caution Label)
1
无要求
无要求
无要求
无要求
无要求
2
要求
要求
要求
要求
要求
2a~5a
要求
要求
要求
要求
要求
6
可选
可选
可选
要求
要求

说明：对于6级潮敏器件，虽然标准是可选，也应要求来料也都采用防潮包装，并且包装袋内放置干燥剂。
4.包装要求
潮湿敏感标识(MSIL)
MSIL: Moisture-sensitive Identification Label
15%
10%
5%
Bake Units if Pink
Bake Units if Pink
Change Desiccant if Pink
Indicator
Discard if Circles Overrun Avoid Metal Contact
湿度指示卡：
HIC：Humidity Indicator Card
干燥剂和指示卡都可再利用，但干燥剂在再 利用前需按要求烘烤，指示卡也需按要求烘烤，指示卡也需要干燥到色剂恢复蓝色才能再利用。

警示标签上有：
*潮湿敏感标识
破 *潮湿敏感等级
别 *包装有效期限
期 *车间寿命说明
确 *受潮判定标准
确性 *器件能承受的最高温度
过 *受潮器件的烘烤方法要求包装袋的密封时间等信息。
5.受潮的判定标准
J-STD-033A要求：
潮湿敏感器件必须在满足下列条件之一的环境中存储：
1） 在有干燥剂的真空包装袋内存储；
2） 在干燥箱内（湿度<10%RH）存储。
对于露置在空气中的时间大于其车间寿命（参见车间寿命降额标准）的潮敏器件，或是包装袋内湿度指示卡超过10%RH的潮敏器件，都有可能已经受潮，
需要烘烤后才能使用。

封装厚度
潮敏等级
125ºC烘烤
40ºC（≤5%RH）烘烤
≤1.4mm
2a
4h
5 days
…………
3
7h
11 days
…………
4
9h
13days
…………
5
10h
14days
…………
5a
14h
19days
≤2.0mm
2a
18h
21days
…………
3
24h
33days
…………
4
31h
43days
…………
5
37h
52days
…………
5a
48h
68days
≤4.0mm
2a
48h
67days
…………
3
48h
67days
…………
4
48h
68days
…………
5
48h
68days
…………
5a
48h
68days
以上是IPC/JEDEC J-STD-033A给出的烘烤要求，操作起来有很大的困难，可以参考此标准，结合企业以往经验和实际情况，制定可操作的自己的烘烤要求。

四．企业内部的潮敏器件操作要求
1.通用要求
参考J-STD-033B标准，结合企业情况，制定企业内部的对各种环境条件下的车间寿命 要求：
MSL

MSD封装体 厚度

MSD车间寿命要求(Floor Life)
标准条件 ≤30°C/60﹪RH

降额条件1 ≤30°C/70﹪RH

降额条件2 ≤30°C/80﹪RH
降额条件2 ≤30°C/90﹪RH
1
所有
无限制
无限制
无限制
无限制
2
所有
1年
半年
3个月
3个月

2a
≥3.1mm,(BGA≥1mm)
28天
10天
7天
6天
2.1mm~3.1mm
96小时
72小时
48小时
≤2.1mm,(BGA<1mm)
24小时
24小时
24小时
3
≥3.1mm,(BGA≥1mm)
168小时
120小时
96小时
96小时
2.1mm~3.1mm
72小时
48小时
48小时
≤2.1mm,(BGA<1mm)
24小时
24小时
24小时
4
≥3.1mm,(BGA≥1mm)
72小时
72小时
48小时
48小时
2.1mm~3.1mm
48小时
48小时
24小时
≤2.1mm,(BGA<1mm)
24小时
24小时
24小时

5
≥3.1mm,(BGA≥1mm)

48小时
48小时

24小时

24小时

<3.1mm,(BGA<1mm)
24小时
24小时
24小时
5a
≥3.1mm,(BGA≥1mm)
24小时
24小时
24小时
24小时
<3.1mm,(BGA<1mm)
24小时
12小时
12小时
6
所有
使用前必须烘烤，并在警告标签规定的时间内焊接完毕。

注意：在RH≥85%的环境条件下，若暴露时间大于2小时，则所有2级以上（包括2级）敏感器件必须烘烤。
操作要求：
对于2级以上（包括2级）潮湿敏感器件，打开包装后要立即将湿度指示卡放置于包装袋内干燥剂下，以保证指示卡不会变色。2级~4级器件要在打开包装1小时内重新抽真空包装，5级~6级器件要在30分钟内重新抽真空包装；
为传递湿敏信息，潮敏器件包装箱上应贴企业自制的潮湿敏感标签，需要烘烤的最小包装上要贴烘烤标签（不需再贴潮湿湿敏感标签）。两种标签上都有潮敏等级栏，对于包装上没有潮敏等级信息的，相关环节操作时应在标签上注明潮敏等级。
存储要求：
1） 在有干燥剂的真空包装袋内存储；
2） 在干燥箱内（湿度<10%RH）存储。
判断是否受潮的标准：
判断器件是否需要烘烤的标准是：按湿度指示卡（HIC）判断袋内相对湿度，按防潮包装袋上的要求判定湿度是否超标；对于非厂家原包装来料，都需要进行烘烤。
（对于用蓝色晶体指示袋内湿度的包装，如果观察发现干燥剂包装袋内有已变红晶体，说明该包器件受潮，需要烘烤。）
湿度判定：
目前指示卡的形式很多，无论哪种指示卡，都有是用来指示湿度的，只要是某一色环变紫色，就说明达到对应湿度，变粉红色，就是超过了对应湿度。对于湿度指示晶体，只要是有变为粉红色的，就说明需要烘烤了。
干燥剂应用现状分析及规范：
干燥剂材料分类：
* 活性粘土：（120°C重激活）
* 硅胶： （120°C重激活）
*分子筛： （500°C重激活）
干燥剂重新利用的条件：
120°C， 24小时； 但分子筛干燥剂不可重新利用。
2．对来料检验的要求
1)对于潮敏等级为2级以上（包括2级）的SMD器件，必须是生产厂家原包装，采用真空密封包装方式，包装上有潮湿敏感警告标签。在包装袋内，必须有符合潮敏标准要求的干燥剂（DESICCANT）和湿度指示卡。
2)有些厂家采用在干燥剂中加蓝色晶体的方法来指示包装袋内的湿度，当蓝色晶体变为红色时，说明包装袋内湿度已达到烘烤要求。这种包装袋内不需专门的湿度指示卡。
3)有些厂家采用的不是抽真空包装，而是密封防潮包装或在包装袋内充惰性气体（如氮气）的方法，如果厂家能以正式文件通知企业，且该厂家来料包装没有破损或漏气现象，则判来料防潮包装合格，否则都要记录包装缺陷。
4)对于潮湿敏感等级为2级或者2级以上IC，除了按正常物料贴证外，还必须在包装箱上企业条码附近贴企业自制的潮湿敏感标签。对需要烘烤的每个最小包装，上面也要贴上企业自制的烘烤标签。中央库房接收后要对最小包装上贴有烘烤标签的器件进行烘烤，然后抽真空密封防潮包装存放。
5)要对非厂家原包装的来料进行全检。
3．对仓储的要求
1) 对于潮湿敏感等级为2级以上（包括2级）的SMD器件，库房在拆封后首先要查看真空包装内有无干燥剂和HIC，HIC上显示的相对湿度是否超标，HIC是否符合要求。发现厂家原包装漏气，HIC变色或不符合要求的，要反馈物料质量控制部门推动供应商改善。
2)对于需要拆包分料的潮敏器件，2级~4级的要在1小时内完成并重新干燥保存，5级~6级的要在30分钟内完成分料并干燥保存（重新抽真空或置于干燥箱中），对于当天还需分料的2级潮敏器件，不做此要求，但每天最后未发完的2级以上（包括2级）潮敏器件都必须重新抽真空或放入干燥箱保存。
3）仓库发到车间的2级以上（包括2级）的潮湿敏感器件，在分料时一律采用真空密封包装方法发往车间。
4）干燥剂和湿度指示卡多是可重复利用的，为了确保干燥剂的吸湿性能和指示卡的正确湿度指示，重复利用的干燥剂需在125度下烘烤24小时后使用，指示卡需要在性能良好的干燥剂中吸湿并恢复原有的蓝色后使用。
注意：某些干燥剂（如分子筛材料）重新利用温度较高，在现有工艺条件下不能重新利用。
4. 对车间的要求
1)由于从拆封后或烘烤后到上SMT回流焊之间有一个时间间隔，为了保证潮敏器件的可靠稳定性，要求车间每次只能拆开一包同种器件，并且应在要求时间（见车间寿命降额要求）内完成焊接。
2)因库房整包发料时不需开包检验，因此车间上线前应先检查包装袋内是否有干燥剂和潮湿显示卡，湿度指示卡是否符合要求。对不符合要求的反馈库房处理，如果属于供应商问题，库房反馈物料质量控制部门推动供应商改善。
3)从软件车间接收的载体，如果不是立即就可加工，则应放入干燥箱或重新抽真空密封 防潮包装保存，并且对车间存放时间进行控制时应该将从器件拆包到重新防潮保存这段时间计算在内。
4)开封后未用完且未受潮的潮敏器件，应立即置于运行中的干燥箱中或重新进行真空防潮包装保存。
5)潮敏器件在进行回流焊接时，要满足：
a. 严格控制温度的变化速率，其升温速率应小于3°C/秒；
b. 要严格控制最高温度（≤230°C）和高温持续时间，要满足每一种器件所规定的 要求。
6)对需要再利用的器件，采用局域加热的方式返修，当器件要求的拆卸温度低于200° 时，可直接拆卸器件，当要求的温度高于200°C时，拆卸器件前需要对板子进行烘烤，烘烤条件依据器件的具体条件而定。
7)对软件车间的要求：
对于2级（包括2级）以上潮湿敏感器件，如果写完软件后需要到SMT过回流焊，则要尽量缩短器件在软件车间的存放时间，软件车间在将写完软件的载体交给SMT工段时，应同时提出供该批物料的拆包时间，以便SMT工段对载体的车间存放时间进行控制。

五．潮敏器件英文知识说明
* 潮湿敏感：Moisture Sensitive
* PSMD: Plastic Surface Mount Devices
* MBB: Moisture Barrier Bag, 即防潮包装袋，该包装袋同时要考虑ESD保护。
* 潮敏标识：Moisture-sensitive Identification Label
(潮敏器件原包装上都必须有此标识)
* JEDEC，即：Joint Electronic Device Engineering Council
(电子设备工程联合委员会)
* HIC：Humidity Indicator Card, 即防潮包装袋内满足“MIL-I-8835，MIL-P-116，Method II”等标准的潮湿指示卡；
* Active desiccant: 有效干燥剂。干燥剂是新鲜的或按照厂家要求进行烘烤后仍具有原来干燥性的干燥剂。
* Carrier: 盛放元器件的容器，例如托盘，管子或者卷带等。
* Floor life: 称为车间寿命，对于防潮敏感器件，在低于30°C且小于60%相对湿度的环境中，器件从密封防潮包装袋取出后允许暴露的时间。
* Shelf life: 称为货架寿命，潮敏器件在密封防潮包装袋内存放的最长时时，我们可以根据湿度指示卡来看包装袋内的湿度是否符合要求。
* Solder reflow: 回流焊，把粘好的贴片进行重新融化，使它焊接在印刷电路板上的过程。
* Water Vapor Transmission Rate (WVRT), 水蒸汽扩散速率，是塑料薄膜或金属化塑料对潮湿空气穿透性的一个衡量标准，是密封包装袋的一个重要参数。