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潮湿敏感元件

（此文是从IPC J-STD-020、J-STD-033等标准和一些文章中摘取出来，仅供大家参考。如果想了解MSD的详细知识，请浏览相关国际标准。）

缩写：

MSD: Moisture-sensitive devices

SMD: Surface Mount Devices

MSL: Moisture Sensitivity Level

PCB: Printed Circuit Boards

HIC: Humidity Indicator Card

BGA: Ball Grid Array

ESD: Electrostatic Discharge

MBB: Moisture Barrier Bag

1．前言

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。

潮湿敏感性元件的主题是相当麻烦但很重要 - 并且经常被误解的。由于潮湿敏感性元件使用的增加，诸如薄的密间距元件(fine-pitch device)和球栅阵列(BGA)，使得对这个失效机制的关注也增加了。当元件暴露在回流焊接期间升高的温度环境下，陷于塑料的表面贴装元件SMD内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。在一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面；最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。

2．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。

3．依据标准

●IPC/JEDEC J-STD-020 塑料集成电路(IC)SMD的潮湿/回流敏感性分

类

●IPC/JEDEC J-STD-033 潮湿/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用

标准

●IPC-A-610 Acceptability of Electronic Assemblies

●IPC/JEDEC J-STD-035 非气密性封装元件的声学显微镜检查方

法

●IPC-9501 用于评估电子元件(预处理的IC元件)的印刷线路板(PWB,

printed wiring board)的装配工艺过程的模拟方法

●IPC-9502 电子元件的PWB装配焊接工艺指南

●IPC-9503 非IC元件的潮湿敏感性分类

●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

4．湿度敏感危害产品可靠性的原理

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。

5．湿度敏感器件分类

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大类八种。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。

下面列出了八种潮湿分级和车间寿命(floor life)。有关保温时间标准的详情，请参阅 J-STD-020。

● 1 级 - 小于或等于30°C/85% RH 无限车间寿命

● 2 级- 小于或等于30°C/60% RH 一年车间寿命

●2a 级- 小于或等于30°C/60% RH 四周车间寿命

● 3 级- 小于或等于30°C/60% RH 168小时车间寿命

● 4 级- 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命

● 5 级- 小于或等于30°C/60% RH 48小时车间寿命

●5a 级- 小于或等于30°C/60% RH 24小时车间寿命

● 6 级- 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命(对于6级，元件使用之前必

须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。)

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。

湿度敏感级别为 1的，不是湿度敏感器件。

6．烘焙方法

IPC的干燥包装之前的预烘焙推荐是：

包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围8~28

小时，或150°C烘焙4~14小时。

包装厚度小于或等于 2.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围

23~48小时，或150°C烘焙11~24小时。

包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围48

小时，或150°C烘焙24小时。