湿度敏感电子元器件质量控制方法

2015-05-22屠雪霞

卷宗 2015年2期

关键词：上板回流焊元器件

摘要：随着集成电路封装小型化以及表面贴装技术的发展，非气密性表面贴装器件（SMD）的发展非常迅速，但由于吸湿的缘故，其失效率也居高不下。本文主要分析非气密性表面贴装器件的失效机理，并对这一类的器件的质量控制方法进行了介绍。

关键词：适度敏感器件；非气密性表面贴装器件；层

1 引言

随着集成电路封装小型化以及表面贴装技术的发展，非气密性表面贴装器件（SMD）的发展非常迅速，但由于吸湿的缘故，在贴装过程中可能会导致失效。

2 湿度敏感器件（MSD）

根据相关标准，MSD主要指非气密性表面贴装器件（SMD），包括塑料封装、其他透水性聚合物封装（环氧、有机硅树脂等），一般集成电路、芯片、电解电容、发光二极管等都属于非气密性SMD器件。

3 失效分析

（1）分层产生的机理

由于MSD器件的封装材料与其他材料之间的界面属于粘合结构（即界面的两种材料通过分子之间的作用力结合在一起），而不是两种材料互溶、互扩散、形成化合物的结构。那么在其暴露于大气中的过程中，大气中的水分会通过扩散渗透到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℃以上30～90s左右，最高温度可能在210～235℃（SnPb共晶），无铅焊接的峰值会更高，在245℃左右。在回流区的高温作用下，器件内部的水汽会快速膨胀，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（如图一、图二所示）或者爆裂，于是器件的电器性能受到影响或者破坏。

然而像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，也不会表现为完全失效。

图1 水分膨胀导致分层过程

图2 分层在塑封集成电路中存在的四种形态

分层产生的原因

1.MSD器件的包装及存储环境未达到要求

MSD的湿敏等级按J-STD-020D《Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices》国际标准的相关要求，可分为6大类，其中湿敏等级属于2～6级的器件必须采用防潮包装。而且，一旦把器件从防潮包装中拿出来，就必须在规定的时间内组装上板，否则就有可能失效或产生可靠性问题。

因此，若MSD器件供货时已无防潮包装，入库时又不进行烘干处理并抽真空包装，在南方这种湿度较大的存储环境下，势必会造成大量MSD器件吸湿受潮。

2.受潮的MSD器件上板前未进行预处理

目前在大多数企业使用的MSD器件的湿敏等级多为3级，对于此类器件而言，打开防潮包装后，必须在168小时内进行组装上板，若超过此期限，则使用前必须重新烘干。对于BGA封装器件，则无论是否超过规定期限，使用前都必须重新烘干，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。

若上板前已超过标准规定的时间期限，而且上板前也没有经过烘干的工序，怎会造成MSD器件吸湿受潮。

3.MSD涉及的制造工艺发生变化

无铅合金的回流峰值温度相较于SnPb共晶更高，可能使MSD的湿度敏感性至少下降1或2个等级。

（2）典型器件失效分析

以ADSP-TS101SAB2器件为例，具体分析如下：

1.封装形式

图3 BGA封装示意图

2.原因分析

由于ADSP-TS101SAB2器件属于BGA封装，其引脚在焊接时具有不可见性，故不能像常规方法对引脚加热焊接，只能采用间接加热的方法。即热量从芯片上部先对芯片加热，然后热量通过芯片再传导到锡球上，锡球融化后就把芯片与PCB上的焊盘链接上。其热量传递过程如下图所示：

图4 加热中热量传递过程分析

由于锡球呈一定距离分布在芯片下，热量通过锡球传递到PCB上时传递路径很窄，热通道受阻，将导致热量大量在芯片上堆积，此时器件如果在潮湿环境中吸附了水汽，则会由于汽化膨胀造成芯片与基板之间发生大面积分离，造成器件失效。但也有可能当温度恢复到常温时，芯片又会接触到基板形成临时性的电连接，但这种电连接是不稳定的，任何热的或机械应力都可能造成这种连接再次分离或接触。

3.超声波扫描照片

4 质量控制方法

分层是塑封芯片的一种严重失效模式，可引起器件性能下降、甚至失效。如：分层发生在塑料与芯片的界面，一方面，可引起芯片的键合引线由于机械拉伸，键合引线（包括内、外键合点）产生机械损伤而导致连接电阻增大或开路；另方面，可引起芯片表面钝化层损伤，导致芯片漏电增加、击穿电压下降、金属化条断裂等；再者，塑料与芯片界面的分层，导致水汽更容易进入到芯片表面，使芯片性能下降。所以，必须加以重视。

（1）MSD的标识和跟踪

要控制MSD，首先要知道哪些器件属于MSD器件。即应要求供应商确保供应的器件是被正确包装的，且包装上应标明器件的MSL，以便于我们了解器件的湿度敏感性信息，采取相应措施。其次，应建立公司所用MSD的数据库，由专人负责定期将MSD列表发布给相关部门。再者，应根据MSD列表，对入库的器件进行分类标识，如MSD用黄色标签纸标识，其他器件用白色标签纸标识，此标识应保持到器件贴装上板。最后，应对所有相关人员不断培训和考核，至少保证其知道MSD是怎么一回事。

（2）MSD的规范操作

要控制MSD，除了要知道那些器件属于MSD器件以外，还要掌握这类器件的存储、包装、使用方法，为此应拟制MSD操作规范，并对所有相关操作人员进行培训和考核，以确保MSD相关操作的规范性。

1.MSD的采购

应与采购合同（协议）中明确对于MSD分层的接收判据。

要求供应商确保供应的器件是被正确包装的，且包装上应标明器件的MSL。

2.MSD的检验

应拟制MSD器件的通用验收规范，内容包括：

1）适用范围

集成电路、电解电容、发光二极管等非气密性SMD器件。

2）检验步骤

A.有超声波扫描设备

外观检验→判定→性能检验→判定→应力筛选→超声波检验→判定→烘干

B.无超声波扫描设备

可以进行电性能检测的器件。

外观检验→判定→性能检验→判定→应力筛选→性能检验→判定→烘干

无法进行电性能检测的器件。

外观检验→判定→应力筛选→抽样送检（超声波扫描）→判定→烘干

3）检验项目及合格判据

对于此类器件的检验除了常规的外观和性能检验外，还应增加超声波扫描检验。根据JEDEC的有关规定芯片表面/封装树脂间分层、引线框内引脚表面与封装树脂间分层应小于50%；引线框载片底层与封装树脂间分层以及芯片表面与导电胶之间不允许有分层。

4）应力筛选方法

具体筛选条件可根据元器件的存储温度范围（筛选时不施加电应力）或工作温度范围（筛选时施加电应力），参照JESD22-A104《Temperature Cycling》表1、表2、表3的有关内容选择筛选温度和循环周期。

5）干燥方法

通常情况下，采用的干燥方法是在一定温度下对器件进行一定时间的恒温烘干处理。

根据器件的MSL、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。通常情况下烘干温度不应高于该器件的最高存储温度，具体温度和时间可参照IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表4-1的有关要求执行。

6）注意事项

由于超声波扫描过程中必须将器件浸入水中，所以扫描结束后应将器件进行烘干处理后再进行下一步处理。

烘烤时需注意ESD保护，尤其烘干后，环境特别干燥，最容易产生静电。

检验时需注意佩戴静电手环、手指套等防静电用具。

需确定MSD的MSL，并以黄色标签纸标注。

如需送专业检测机构进行超声波扫描，则若检测结果为不合格，则应由供应商承担检测费用，此项可列入相关采购合同（协议）中。

3.MSD的包装和存储

对于经检验合格的MSD和没有用完的MSD应重新包装，主要包装材料有防潮包装袋、干燥剂、湿度测试纸等。不同等级的MSD打包的要求并不一样，在密封以前，对于MSL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和器件一起密封时，会影响器件的MSL，因此作为补偿，这些料盘也要进行干燥处理。

重新打包后的MSD应以黄色标签标识后储存。

对于贮存期超过1年或湿度测试纸已变色（贮存期可能尚在1年内）的器件需全数进行超声波扫描筛选（或抽样送专门检测机构测试），剔除失效器件后，重新打包存放。（对具备电性能检测手段的器件，还应进行电性能检测。）

4.MSD的使用

1）发料

为了确保物料在规定的车间寿命内完成贴装，物料配送数量在保证生产的同时，还应遵循上线物料数目最小的原则。例如MSL等于4的MSD，其车间寿命为72小时，则如果贴装无法在72小时内完成，就应该分批发料，以确保在器件失效以前完成生产。

2）涉及的制造工艺

①MSD可暴露于空气中存放的时间

应注意元器件包装被打开后用于安装和焊接的过程中可以暴露于空气中存放的时间，以防止因元器件吸湿受潮而导致的回流焊焊接质量下降或电气性能改变。IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表5-1规定了在装配过程中，一旦密封防潮包装被打开，元器件必须被用于安装、焊接的相应时间。绝大多数集成电路器件的湿度敏感等级为3级，其车间寿命，即从将其取出防湿袋到干燥储存或烘干再到回流焊所允许的时间段为168小时；而BGA封装器件的湿度敏感等级一般来说为5级以上，车间寿命在48小时以内。

②上板前预处理

由于在装配过程中，元器件包装被打开后有可能无法在相应时间内使用完毕，使得其暴露于空气中的时间超过了上表规定的时间，那么对这些元器件应在回流焊前进行烘烤。烘烤的温度不应高于该器件的存储温度上限，同时不能超过125℃，因为过高的温度会造成器件内部损伤，但若烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。具体温度和时间可参照IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表4-1的有关要求执行。

如果条件允许，建议在装配前烘烤元器件，这样做，一方面有利于消除其内部湿气，另一方面有利于提高其耐热性，减少元器件进入回流焊受到的热冲击对器件的影响。元器件在烘烤后取出，自然冷却半小时才能进行装配作业。

③焊接温度

焊接温度应满足IPC/JEDEC J-STD-020D《Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices》表4-1、表4-2的有关要求，原则上SMD器件不允许手工焊接。

④X-RAY检测

由于BGA封装器件经无铅回流焊，其焊球内易产生气泡，而这种缺陷（见下图中的白色亮点）可以通过X-Ray检测出来，故要求外协厂商增加X-Ray对BGA封装的检查这一工序，并在外协协议中规定对于气泡的可接受标准。

图6 失效器件X-RAY检测结果

3）返修

如果要拆掉印制板上的MSD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℃，而且超过了规定的车间寿命，在返工前要对印制板组件进行烘烤，在车间寿命以内，器件所能经受的温度和回流焊接所能承受的温度一样。

（3）库存MSD器件的处理方法

对于库存MSD器件的处理方法，也可以分为两种情况。若有超声波扫描设备，则应全数进行扫描筛选。若无超声波扫描设备（或设备尚在采购中），可按如下步骤操作。

1.分类

1）按封装形式

筛选出表贴式MSD器件和需经回流焊的直插式MSD器件。

2）按入库时间

根据MSD的MSL等级，在1（按封装形式）的筛选结果中进一步筛选出入库时间超过车间寿命的器件。