6.2 潮敏元器件的应用指南

概述

再流焊接不像波峰焊接，元器件需要经受高温。当元器件暴露在再流焊接的高温下，非密封型封装内的蒸汽压力会大幅增加。在特定状况下，该压力会造成封装材料内部界面分层从而脱离芯片及（或）引线框/基板，或是发生未扩展到封装外面的内部裂缝，或是绑定、金属线细化、绑定翘起等损伤。严重时会造成封装外部裂缝，我们一般将此现象称为“爆米花”现象。

封装的破坏是在潮气和高温两种因素的作用下发生的，因此，IPC标准中把这种封装定义为潮湿/再流焊接敏感元器件（Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices，MSD），工厂里通常简称为潮湿敏感元器件或潮敏元器件。

为了避免再流焊接时潮湿敏感元器件焊接时热损伤，IPC/JEDEC J-STD-020和J-STD-033两份标准对塑封IC类元器件的处置、包装、运输、存储、使用和再流焊接的操作进行了规范（有关非IC类元器件、PCB的潮湿敏感材料的管控分别见IPC/J-STD-075、IPC-1601）。为了更好地理解标准的内容，我们把这两份标准的内容通过图6-2作一个简要汇总，以便了解标准的架构和内容上的逻辑性。

从图6-2我们可以清楚地了解到，对于潮湿敏感元器件的管理，我们需要了解以下几个问题。

（1）哪些封装是潮湿敏感元器件。

（2）潮湿敏感等级的分类与对应的车间寿命。

（3）潮湿敏感等级的评定方法。

（4）元器件干燥包装前的烘干温度与时间。

（5）干燥包装。

（6）车间寿命的重置。

潮湿敏感等级

对潮敏元器件的吸湿敏感度进行等级划分，目的是标准化车间寿命，以便组装厂家可以识别并采取适当的措施安全地进行焊接。

J-STD-020为非密封型固态表面贴装元器件的再流焊接工艺潮湿敏感等级，一共分为6个等级，见表6-1。

业界常用的为MSL1、MSL2和MSL3级，MSL1级的集成电路（即IC），不需要烘烤和真空包装；MSL2级产品，在温度/相对湿度≤30℃/60%RH的条件下，从打开真空包装到再流焊接的时间限定为一年；而对MSL3级产品，限定时间减短到168h。除MSL1等级的产品外，其他所有等级的塑封表面贴装IC都必须在规定的时间内完成再流焊接，否则有可能发生失效或可靠性问题。

潮湿敏感等级的评定

非密封固态SMD潮湿敏感度等级的评定流程如图6-3所示。其中样品的处理/试验是最重要的环节，必须确保评定的样品合格、充分烘干、按等级规定的渗浸要求吸潮、按照标准温度曲线进行三次再流焊接，以确保评定的潮湿敏感度等级有效。

潮湿敏感度等级的评定，主要依据试验样品是否出现不可接受的分层。分层是指再流焊接之后测得的分层与吸湿之前测得的分层相比较而出现的新变化。

只要样品在潮敏分级（MSL）试验后不符合以下任何一条，则判定该批产品不能通过潮湿敏感度等级试验。

对于金属引线框架塑料封装IC：

（1）在芯片有源面没有任何分层。

（2）引线框小岛打引线时，小岛上分层的变化不能大于10%。

（3）没有贯穿性的分层在引脚上。

（4）对依靠装片胶导电和导热的IC，装片胶区域分层或裂纹不能大于50%（像F-BGA是不允许的）。

如果SMD出现上述情形将被认作不能通过潮气敏感度的检查标准。

以下材料和工艺可能影响IC的潮湿敏感度。也就是说，如果这些材料或工艺发生了变化，则制造出来的IC的潮湿敏感度等级需要重新评估。

（1）装片材料（通常为导电的银浆）和工艺。

（2）引线脚数。

（3）塑封树脂和工艺条件。

（4）引线框小岛尺寸和形状。

（5）塑封体大小。

（6）芯片钝化层/芯片表面保护层。

（7）引线框、基板、散热片设计。

（8）芯片尺寸和厚度。

（9）圆片制造技术和工艺。

（10）打线方式。

为了最大限度地减少试验次数，通常当一个SMD封装形式通过了某一潮湿敏感度等级，只要所用材料相同，那么该类封装所有不同芯片的产品都被认为通过了该潮湿敏感度等级。在实际生产中，这种规则仅限于同一客户的相同封装形式。

干燥包装

1）要求

潮湿敏感等级的干燥包装要求，见表6-2。各等级按J-STD-020或JESD22-A113加可靠性测试确定。干燥包装中用到的所有材料都必须符合EIA-541和EIA-583标准规定。

2）密封到隔潮袋（MBB）之前，SMD封装和载体材料的干燥

（1）分类为2a～5a级别的元器件在封入MBB前必须干燥。干燥与封口之间的时间必须小于制造商暴露时间（MET），并且MET剩余时间能够允许分销商打开及重新包装。

（2）放置在隔潮袋内的载体材料，如托盘、卷盘、盛料管等，都会影响隔潮袋内潮湿敏感等级。因此，这些材料也必须烘烤。

（3）如果烘烤到封口的时间超过允许的时间范围，则必须重新烘烤。

3）干燥包装

（1）干燥包装干燥材料、HIC，并与SMD封装密封在MBB内。常见的包装形式如图6-4所示。

（2）防潮袋应符合MIL-B-81075类型Ⅰ标准，满足柔韧性、ESD保护、机械强度和防渗透要求。

（3）干燥剂材料应符合MIL-D-3464标准类型Ⅱ的要求。干燥剂应无尘、无腐蚀性，且达到规定的吸湿量。干燥剂应包装在可渗透湿气的小袋子里。每包防潮袋干燥剂的用量，应视防潮袋的表面积和透湿率（WVTR）而定，以确保25℃时能保持MBB内部的相对湿度（RH）小于10%。

（4）HIC上至少有3个敏感值为5%RH、10%RH和60%RH的色点。图6-5为一个HIC的示例。色点应该通过明显的、易辨识的颜色（色调）变化指示湿度，见表6-3的说明。

4）标签

（1）与干燥包装相关的标签是“潮湿敏感标识”（MSID）标签（见图6-6）和JEDEC JEC113中定义的警示标签（见图6-7）。MSID标签应贴在装有隔潮袋的最小级别运输包装上。警示标签应贴在隔潮袋外表面。

（2）未放置在MBB中运输的等级6器件应该在最外层运输箱上贴上MSID标志和适当的警示标志。

（3）不是采用最高再流焊接时，在警示标志上须注明再流焊接温度。

5）隔潮袋密封

为了不损伤隔潮袋或造成隔潮袋分层，应当热封隔潮袋口。不推荐全真空包装，全真空包装容易损坏隔潮袋，也不利于干燥剂发挥作用。

6）保存期限

当存储在＜40℃/90%RH不结露的大气环境中，从包装封口日起至少为12个月。

烘干

表6-4～表6-6给出了不同的潮湿敏感等级和暴露在环境相对湿度≤60%RH的元器件烘干选项，可依据一个允许的选项对车间寿命重新计时。

表6-4～表6-6给出了烘干SMD封装参考条件。

表6-4给出了在车间寿命过期后或发生其他显示潮湿暴露过度的情况下，用户在自己的场所重新烘干元器件的条件。表6-5给出了供应商或分销商在干燥包装前的烘干条件。表6-6总结了用户端重置或者暂停“车间寿命”计时条件。

注：对于没有阻挡层或堆叠晶片的封装，指定的烘干时间是保守的。如果封装在烘烤前已经超出工厂环境暴露的条件，对于一个堆叠晶片或有阻挡湿气扩散的内层的BGA封装，实际的烘干时间可能比表中要求的时间更长。如果经过技术判定，也可缩短实际烘干时间。烘干时间的增加或减少应当采用JEDEC JESD22-A120中的要求确定（即连续2次读值间的质量减少＜0.002%）或根据关键的界面浓度计算。

暴露于车间环境的烘干要求如下：

（1）潮湿敏感的SMD封装如果在环境相对湿度≤60%RH条件下暴露任意时间，可能就需要按照表6-4的要求，在再流焊接前进行适当的高温或低温烘干。或在干燥包装前按照表6-5的要求烘干。

（2）潮湿敏感等级为2、2a、3的器件，只有车间寿命暴露时间不超过12h，要求最短干燥时间为5倍的暴露时间，以完全烘干SMD。重置车间寿命时间见表6-6。

（3）潮湿敏感等级为4、5、5a的器件，只有车间寿命暴露时间不超过8h，要求最短干燥时间为10倍的暴露时间，以完全烘干SMD。重置车间寿命时间见表6-6。

使用

一旦打开隔潮袋包装，车间寿命开始计时。

1.来料包装检查

1）隔潮袋检查

干燥包装的元器件应检查警示标签或条形码上的封袋日期。包装袋应检验并确保没有洞、凿孔、撕破、针孔或是任何会暴露内部或多层包装袋内层的开口。如果发现有开口，应参照HIC决定采取何种适当的恢复措施。

2）元器件检查

将完好的密封袋在接近封口处的顶部割开，检查元器件。如果包装袋在车间环境中打开不超过8h，可再与活性干燥剂一起重新装入密封袋中并封口，或是将元器件放置在一个空气干燥箱里再次干燥，要求再次干燥的时间至少是暴露时间的5倍。

2.车间寿命

如果车间环境条件不是30℃/60%RH，需要修改表6-7所示的车间寿命。如果一批元器件中部分已使用，剩下的元器件在打开包装1h内必须重新封口或是放入＜10%RH的干燥箱中。如果暴露时间超过1h，应参照表6-8规定进行处理。

表6-8为酚醛树脂、联苯或多功能环氧树脂封装元器件在20℃、25℃、30℃和35℃时的推荐等级与总车间寿命（在元器件同一分类温度再流焊接）。

3.安全存储

安全存储是指元器件保存在一个湿度可以控制的环境中存储，这样车间寿命可维持在零纪录。以下列出了2～5a级的元器件可接受的安全存储分类。

1）干燥包装

干燥包装完好的MBB中的元器件，应该有一个预期的存储寿命，一般是从警示或条形码上标明的袋封日期算起至少12个月。

2）空气干燥橱

散装元器件应放置在一个空气干燥橱中，橱内的温度和相对湿度条件应维持在25±5℃和＜10%RH。橱内可使用氮气或干燥空气。

4.再流焊接

再流焊接包括整板的再流焊接和返修过程中单个元器件的焊接和去除。

（1）在打开干燥包装后，干燥袋中所有元器件在标识的车间寿命前必须完成包括返修在内的所有高温再流焊接过程。如果车间寿命超期应烘干处理或车间环境超过标准，应按表6-8要求降级使用。

（2）在再流焊接过程中元器件温度不得超过标识在警示标签上的设定值。再流焊接过程中元器件的温度，将直接影响元器件焊接的可靠性。

（3）在再流焊接过程中，不应超出JESD22-A113中规定的附加温度曲线参数。虽然温度在再流焊接中是最关键的参数，但其他曲线参数，如高温中总的暴露时间和加热速率，也会影响元器件焊接的可靠性。

（4）如果使用了一个以上的多道再流焊接，必须小心确保在最后一道再流焊接前的所有潮湿敏感元器件，无论是贴装的还是不贴装的，都不能超过它们的车间寿命。（5）每个元器件最多只能经过三道再流焊接工序。如果因为某种原因需要超过三道工序的，应向供应商咨询。

5.干燥指示器

干燥指示器显示结果和情况，确定元器件再流焊接前干燥或是继续安全存储。

（1）干燥包装内潮湿过度。

HIC会提示干燥包装内湿度过度。这是由于误处理（如缺少干燥剂或干燥剂量不足）、误操作（如MMB撕裂或割裂）或是存储不当引起的。

（2）HIC从MMB中取出后应立即读数。在23±5℃条件下可获得最精确的读数，后续的应用情况与存储时间无关，例如，库存寿命是否过期等。

①如果10%RH点为蓝色，表示元器件干燥仍然合适。若干燥袋需要再次封口，应更换活性干燥剂。

②如果5%RH点为粉红色而且10%RH点不为蓝色，则说明元器件暴露已超过了潮湿敏感等级，必须按照表6-8的规定进行干燥处理。

（3）车间寿命或温度/湿度环境超标。

①如果车间寿命或温度/湿度条件超标，在再流焊接或安全存储前元器件必须按照表6-8要求进行干燥处理。

②如果车间温度和/或湿度条件没有满足，则需减少元器件车间寿命作为补偿。

（4）第6级元器件。

划分为第6级的元器件必须烘烤干燥，然后在标签指定的限制时间内完成再流焊接。

吸潮失效案例

案例1：BGA芯片与基板之间分层

某单板上BGA出现焊球桥连现象，发生概率为6.2%。通过超声波扫描发现失效样片出现分层现象。进一步切片分析，观察到芯片与BGA载板间出现分层，并使基板鼓起变形，从而导致再流焊接时BGA锡球桥连，如图6-8所示。追溯生产工艺过程，发现一方面是因为生产批量小，客户提供的物料没有进行干燥包装。另一方面是生产时，上线前也没有进行检查和烘干。这是一个非常典型的吸潮导致BGA分层失效的案例。

塑封IC，如PBGA、QFP等，芯片与载板或框架的安装连接界面，常常存在空洞，是引发分层的起爆点。多数情况下，如果吸潮量超标不大，再流焊接时往往会引发封装基板中心底部鼓包的现象，如图6-9（a）所示。如果吸潮量达到饱和，再流焊接时升温速率和焊接峰值温度又比较高，就可能引发封装体开裂，如图6-9（b）所示。这两种现象一般称为“爆米花”现象。

案例2：塑封BGA载板分层现象

BGA载板分层也是吸潮导致的常见不良现象之一。

BGA载板通常为一阶HDI四层板，由于埋孔的存在，很容易吸潮和分层。图6-10为一BGA基载板分层的案例，此BGA返修前单板没有进行过烘烤，因而出现局部分层现象。

HDI单板由于内存存在密集孔埋孔设计，因此，分层往往表现为局部的多个半球形鼓包现象，这可能是由于埋孔所用填孔树脂容易吸潮所导致的。

案例3：钽电容过炉冒锡珠

某单板焊接后部分电容周围有锡珠，如图6-11所示，锡珠位于钽电容侧面。据了解，此批物料之前拆过包，在未做烘干处理情况下重新包装过。

从冒锡珠位置就可以推测锡珠的来源——阴极与银浆界面。通常，银浆层容易吸潮，如果吸潮遇到高温就会产生很大的内部蒸汽压力，将钽电容包封材料挤破而出现锡珠。结合本案例所用批次及钽电容之前曾经的开包历史，基本可以确定为钽电容吸潮所致。

案例4：SiP封装内部空洞导致过炉后失效或包封界面冒锡珠

SiP封装（System in a Package，系统级封装）是将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。从封装的角度看就是一个包封的小尺寸PCBA（往往是一个电路功能模块），即裸Die和表贴元器件焊接在一个小板子上，然后进行包封。从工艺的角度看，内部有锡焊点，包封时也可能留下空洞或间隙，这决定了它是一个3级以上的湿度敏感器件。

SiP封装内，特别是PCB与包封材料之间，如果有空洞或间隙，就容易吸潮。即使吸潮不超标，再流焊接时也会成为湿气挥发的聚集地，很可能因空洞内/间隙内蒸汽压力过大而分层。如果相邻焊点间贯穿分层，就会导致SiP内部焊点桥因迁移而桥连，从而导致功能失效。如果分层出现在靠近封装表面的地方，就可能在封装表面PCB与包封材料的界面处看到冒锡珠的现象。