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湿度对电子元器件和整机的危害

2017-02-23乐航电子1002

绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计,全球每年有1/4以上的工业制造不良品与潮湿的危害有关。对于电子工业,潮湿的危害已经成为影响产品质量的主要因素之一。 

    1.集成电路:潮湿对半导体产业的危害主要表现在潮湿能透过IC塑料封装从引脚等缝隙侵入IC内部,产生IC吸湿现象。 在SMT过程的加热环节中形成水蒸气,产生的压力导致IC树脂封装开裂,并使IC器件内部金属氧化,导致产品故障。此外,当器件在PCB板的焊接过程中,因水蒸气压力的释放,亦会导致虚焊。 

  根据IPC-M190 J-STD-033标准,在高湿空气环境暴露后的SMD元件,必需将其放置在10%RH湿度以下的干燥箱中放置暴露时间的10倍时间,才能恢复元件的“车间寿命”,避免报废,保障安全 。 

  2.液晶器件:液晶显示屏等液晶器件的玻璃基板和偏光片、滤镜片在生产过程中虽然要进行清洗烘干,但待其降温后仍然会受潮气的影响,降低产品的合格率。因此在清洗烘干后应存放于40%RH以下的干燥环境中。

  3.其它电子器件:电容器、陶瓷器件、接插件、开关件、焊锡、PCB、晶体、硅晶片、石英振荡器、SMT胶、电极材料粘合剂、电子浆料、高亮度器件等,均会受到潮湿的危害。 

  作业过程中的电子器件:封装中的半成品到下一工序之间;PCB封装前以及封装后到通电之间;拆封后但尚未使用完的IC、BGA、PCB等;等待锡炉焊接的器件;烘烤完毕待回温的器件;尚未包装的产成品等,均会受到潮湿的危害。 

 成品电子整机在仓储过程中亦会受到潮湿的危害。如在高湿度环境下存储时间过长,将导致故障发生,对于计算机板卡CPU等会使金手指氧化导致接触不良发生故障。 

  电子工业产品的生产和存储环境湿度应该在40%以下。有些品种还要求湿度更低。 

二、企业如何用现代化的手段管理电子产品的存放环境 

  综上所述,湿度是企业产品质量的致命敌人,那么,企业应该如何来管理电子产品的存放湿度呢?我们先来分析一下,电子产品的生产全过程。电子产品的生产大致可以分成以下几个步骤: 

     企业应该着重管理原料仓库、生产车间、成品仓库和运输车辆的温湿度。那企业应该怎么来管理呢?传统的管理办法就是:由仓管员或管理人员不定时查看、记录仓库和车间的湿度值,发现异常情况即使用加湿或除湿设备控制仓库、车间的湿度。这样的管理办法比较费时间和人力,而且记录的数据因为有人为的因素,数据不是很客观,这样的方法不太符合现代化企业管理的要求;而在物流方面,企业基本没有办法管理运输车辆上的温湿度变化。那么能有什么样的方法才能使企业管理既科学又规范呢?其实很简单,这些都可以由温湿度自动记录仪来帮你做到! 

如何有效控制保护湿度敏感电子元器件(MSD) 

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。 

一、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。 

由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。 

二、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的湿度敏感级别按J-STD-020标准分为6大类。其首要区别在于Floor Life(车间寿命)、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×宽×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。 

湿度敏级别为 1的,不是湿度敏感器件。 

三、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(通常称作“爆米花”)。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。 

四、MSD涉及的制造工艺 

MSD只会在采用Convection、Convector/IR、IR、VPR的 Bulk Reflow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。 

五、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的标识是各种各样,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,这就很危险了。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。 

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,简单而实用的标识方法是: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Level 3的方法进行处理和操作,这样就使得MSD的标识非常简单。如果采用SAP系统,物料在入库的时候,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,必须按照规定进行处理。 

六、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。 

七、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,湿度敏感级别为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Floor Life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J-STD-020和J-STD-033的标准对器件进行控制。 

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℃/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。 

对湿度敏感级别为2~4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,对于湿度敏感级别为2、2a或者3,如果曝露时间不超过规定的Floor Life,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。 

对于湿度敏感级别为5~5a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,也可以采用常温自动干燥箱对器件进行干燥,干燥箱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。 

如果干燥箱的湿度保持在5%RH以下,这样相当于存储在完整无损的MBB内,其Shelf Life不受限制。 

八、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。 

在用MBB密封以前,对于湿度敏感级别为2a~5a的器件必须进行干燥(除湿)处理。 

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。 

九、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。也可以利用常温自动干燥箱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Shelf Life和Floor Life可以从零开始计算。 

当MSD曝露时间超过Floor Life,或者其他情况导致MSD周围的温度/湿度超出要求以后,其干燥方法具体可参照最新的IPC/JEDEC标准。如果器件要密封到MBB里面,必须在密封前进行干燥。 

湿度敏感等级为6 的MSD在使用前必须重新烘干,然后根据湿度敏感警示标志上的说明在规定的时间内进行回流焊接。 

对MSD进行烘烤时要注意以下几个问题: 

一般装在高温料盘(如高温Tray盘)里面的器件都可以在125℃温度下进行烘烤,除非厂商特殊注明了温度。Tray盘上面一般注有最高烘烤温度。 

装在低温料盘(如低温Tray盘、管筒、卷带)内的器件其烘烤温度不能高于40℃,否则料盘会受到高温损坏。 

在125℃高温烘烤以前要把纸/塑料袋/盒拿掉。 

烘烤时注意ESD(静电敏感)保护,尤其烘烤以后,环境特别干燥,最容易产生静电。 

烘烤时务必控制好温度和时间。如果温度过高,或时间过长,很容易使器件氧化,或着在器件内部接连处产生金属间化合物,从而影响器件的焊接性。 

烘烤期间,注意不能导致料盘释放出不明气体,否则会影响器件的焊接性。 烘烤期间一定要作好烘烤记录,以便控制好烘烤时间。 

十、MSD的返修 

如果要拆掉主板上的器件,最好采用局部加热,器件的表面温度控制在200℃以内,以减小湿度造成的损坏。如果有些器件的温度要超过200℃,而且超过了规定的Floor Life,在返工前要对主板进行烘烤,烘烤方法见下段介绍;在Floor Life以内,器件所能经受的温度和回流焊接所能承受的温度一样。 

如果拆除器件是为了进行缺陷分析,一定要遵循上面的建议,否则湿度造成的损坏会掩盖本来的缺陷原因。 

如果器件拆除以后要回收再用,更要遵循上面的建议。MSD经过若干次回流焊接或返工后,并不能代替烘干处理。 

有些SMD器件和主板不能承受长时间的高温烘烤,如一些FR-4材料,不能承受24小时125℃的烘烤;一些电池和电解电容也对温度很敏感。综合考虑这些因素,可选择常温自动干燥箱来进行干燥。 

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