SMT工艺培训资料--温湿度敏感元件管理

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Floor Life、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 heatspreader 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。

Level 1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。

MSD涉及的制造工艺然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，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。

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。

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。