如何處理潮濕敏感性元件

涉及塑料集成電路（IC）潮濕敏感性的情況漸漸地變得越來(lái)越壞，這是由于許多工業(yè)趨勢所造成的，其中包括對用來(lái)支持關(guān)鍵通信和技術(shù)應用的更高可靠性產(chǎn)品的不斷尋求。單單潮濕敏感性元件（MSD， moisture-sensitive device）的失效率已經(jīng)是處在一個(gè)不個(gè)忍受的水平，再加上封裝技術(shù)的不斷變化。更短的開(kāi)發(fā)周期、不斷縮小的尺寸、新的材料和更大的芯片正造成MSD數量的迅速增長(cháng)和潮濕/回流敏感性水平更高。最后，諸如BGA、CSP這類(lèi)面積排列封裝的使用量增長(cháng)也已經(jīng)有重大影響。這是因為這些元件傾向于封裝在盤(pán)帶（tape-and-reel）系統中，每個(gè)盤(pán)帶具有大數量的元件。當與IC托盤(pán)中的引腳元件比較時(shí)，關(guān)鍵的問(wèn)題是對潮濕暴露的時(shí)間更長(cháng)了。

發(fā)外加工的影響

或許最重要的因素是合約制造商與大規模用戶(hù)化的不斷增長(cháng)。在印刷電路板制造工業(yè)中，這變成了“高度混合”的生產(chǎn)，批量的減少使得裝配線(xiàn)上產(chǎn)品轉換更多，導致MSD的暴露時(shí)間增加。每一次SMT生產(chǎn)線(xiàn)轉換到一個(gè)新產(chǎn)品，多數已經(jīng)裝載在貼裝機器上的元件必須取下來(lái)，造成許多部分使用的托盤(pán)和盤(pán)帶需要暫時(shí)儲存，以后使用。這樣儲存的MSD在回到裝配線(xiàn)和最后焊接回流工藝之前，很可能超過(guò)其關(guān)鍵的潮濕含量。因此，在設定和處理期間，必須把暴露時(shí)間增加時(shí)間到干燥儲存時(shí)間。

IPC/JEDEC標準

MSD的分類(lèi)、處理、包裝、運輸和使用的指引已經(jīng)在工業(yè)標準J-STD-023中有清楚的定義，這是一個(gè)美國電子工業(yè)聯(lián)合會(huì )（IPC）與焊接電子元件工程委員會(huì )（JEDEC）聯(lián)合出版物。該文件在1999年發(fā)行，主要統一和修訂了兩個(gè)以前的標準：IPC-SM-786和JEDEC-JESD22-A112（這兩個(gè)文件現在都過(guò)時(shí)了）。新的標準包含許多重要的增補與改動(dòng)，必須遵循以更新現有的制造系統和程序。

總而言之，該標準要求MSD適當地分類(lèi)、標記和封裝在干燥的袋子中，直到準備用來(lái)PCB裝配。一旦袋子打開(kāi)，每個(gè)元件都必須在一個(gè)規定的時(shí)間框架內裝配和回流焊接。標準要求每一卷或每一盤(pán)MSD的總計累積暴露時(shí)間都應該通過(guò)完整的制造工藝進(jìn)行跟蹤，直到所有零件都貼裝。適當的材料補給應該有效的減小儲藏、備料、實(shí)施期間的暴露時(shí)間。另外，該標準還提供靈活性，以增加或減少最大的生產(chǎn)壽命，這一點(diǎn)是基于室內環(huán)境條件和烘焙時(shí)間。

制造程序綜述

雖然在一個(gè)規定的生產(chǎn)壽命內裝配MSD的原則聽(tīng)起來(lái)象是一個(gè)直截了當的要求，但是在生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)際實(shí)施總是有挑戰性的。因為標準有時(shí)被誤解（并且沒(méi)有簡(jiǎn)單的按照要求去做的方法），在工廠(chǎng)與工廠(chǎng)的實(shí)際制造程序之間存在很大的差別。例如，還有公司根本沒(méi)有成文的制造程序來(lái)跟蹤和控制MSD.相反，有些公司已經(jīng)建立一些非常麻煩的系統，消耗許多時(shí)間和能量，生產(chǎn)操作員幾乎不可能跟隨。

在這些極端之間，大多數公司都以許多的假設條件，建立可行的簡(jiǎn)化的工作程序?？墒?，這樣又造成在裝配那些需要烘焙的元件時(shí)也把不需要的給一起烘焙了。第一種情形將影響材料的可獲得性、可焊性，和導致昂貴元件的浪費。其它情況將影響到最終產(chǎn)品的可靠性。不幸的是，在許多組織中，MSD的工作程序是許多年以前建立的，沒(méi)有定期修訂。元件、產(chǎn)品混合、材料供給、裝配工藝、設備和標準的變化都不能反映出來(lái)，因此其有效性大打折扣。

MSD的標識

與MSD控制有關(guān)的首要問(wèn)題是拖盤(pán)和帶卷的標識，一旦從其保護性干燥袋中取出后，這些有元件的拖盤(pán)和帶卷怎樣標識？如果元件不是在干燥袋中收到的，或者如果袋子沒(méi)有適當地標識，那么有可能當作非潮濕敏感元件處理的危險。材料處理員和操作員必須有一種方便可靠的方法來(lái)確認零件編號和有關(guān)的信息，包括潮濕敏感性級別。

MSD的大多數都包裝在符合標準JEDEC/EIAJ外形的塑料IC拖盤(pán)內。不幸的是，這些拖盤(pán)沒(méi)有可以貼標簽的表面空間。在多數情況中，單個(gè)的拖盤(pán)都非直接地進(jìn)行標識，用紙或標貼放在貨架、機器送料器、干燥室、袋等。所有數據都必須通過(guò)不同的步驟從原來(lái)的標簽轉移過(guò)來(lái)。那些在SMT生產(chǎn)線(xiàn)呆過(guò)一定時(shí)間的人都知道由于跟蹤拖盤(pán)包裝的元件所造成的巨大困難，以及由此產(chǎn)生的人為錯誤。

應當肯定，把標識標簽放在塑料卷盤(pán)上是比較容易的?？墒?，可用于標貼的表面相差很大（決定于卷盤(pán)的設計）。有時(shí)卷盤(pán)含有大的開(kāi)口，對于較大的標簽稍微復雜。一個(gè)典型的卷盤(pán)應該有多個(gè)標簽，有整個(gè)生產(chǎn)和元件分流周期所要求的各種條形碼和可讀數據。因為沒(méi)有建立標識的標準格式，裝配者除了所有其它標簽之外有時(shí)被迫增加個(gè)人標簽，這使得處理這類(lèi)元件變得非?；靵y。

因此，當卷盤(pán)含有MSD時(shí)，它們應該清楚地標識其敏感性級別。盡管如此，甚至但卷盤(pán)有適當的標識時(shí)，這些信息在卷盤(pán)裝載在送料器或裝在貼片機的相鄰送料器時(shí)，可能變得不可閱讀。

不跟蹤暴露時(shí)間的危害

或許最壞的情況就是，一些裝配制造商依靠其材料補給系統（剛好及時(shí)[JIT]/早進(jìn)早出[FIFO]）來(lái)保證所有元件都將在所規定的時(shí)間限制內裝配。這在過(guò)去是可以忍受的，但是現在，元件技術(shù)的不斷變化和不斷增加的生產(chǎn)混合度使得這成為一個(gè)非常危險的情況。事實(shí)上，大多數裝配制造商不知道元件暴露多長(cháng)時(shí)間和MSD超過(guò)其最大生產(chǎn)壽命有多頻繁，因為這些信息沒(méi)有跟蹤。

實(shí)際的危險水平可以用一個(gè)實(shí)際的例子來(lái)說(shuō)明：假設一個(gè)卷盤(pán)含有850個(gè)BGA，一個(gè)產(chǎn)品要求每板一個(gè)零件。象大多數PBGA一樣，該零件被分為第四級，生產(chǎn)壽命為72小時(shí)。這意味著(zhù)當卷盤(pán)裝上貼片機之后，生產(chǎn)線(xiàn)的平均運行速度必須超過(guò)每小時(shí)12塊板，一天24小時(shí)，不能中斷地三個(gè)整天在期限來(lái)到之前將所有元件貼裝完。然后加上零件在SMT生產(chǎn)線(xiàn)設定期間的暴露時(shí)間（希望不要有預先將MSD準備在送料器上），和其它常見(jiàn)的情形，如生產(chǎn)計劃的變化、缺料、停機等情況。最后，在多數生產(chǎn)環(huán)境中，每天有一次以上的產(chǎn)品轉換，造成多次的設定。那么有關(guān)的暴露時(shí)間將會(huì )延長(cháng)，因為同一個(gè)卷盤(pán)要從貼片機上下多次。當考慮所有的暴露因素時(shí)，很明顯大量的MSD在回流焊接之前將超過(guò)其規定的生產(chǎn)壽命。

干燥儲存

通常將從貼片機上取下的部分拖盤(pán)和卷盤(pán)儲存在一個(gè)干燥環(huán)境，直到再次使用。這種儲存必須由一個(gè)干燥室或有干燥劑的重新密封的干燥袋組成。許多裝配制造商認為零件處于干燥儲存時(shí)暴露的時(shí)間即終止。事實(shí)上，一旦零件已經(jīng)暴露一定時(shí)間（超過(guò)一小時(shí)），吸收的潮氣將保留在包裝內，向中央界面擴散，可能產(chǎn)生危害。因為這個(gè)原因，標準上沒(méi)有說(shuō)要停止暴露時(shí)間的計時(shí)。

最近的發(fā)現清楚地表明，對于高潮濕敏感的元件（級別4-5a），干燥儲存的時(shí)間與生產(chǎn)暴露之前是同樣重要的。從一篇有關(guān)主題的論文1引證的一個(gè)例子說(shuō)明，分類(lèi)為5級（通常48小時(shí)生產(chǎn)壽命）的PLCC在只暴露16小時(shí)之后接著(zhù)干燥儲存70小時(shí)實(shí)際上仍然超過(guò)關(guān)鍵的潮濕水平。不管怎樣，將元件放入干燥儲存還是一個(gè)好方法。越干燥的環(huán)境將減慢潮氣吸收的過(guò)程，如果零件留在干燥環(huán)境足夠的時(shí)間，過(guò)程將反過(guò)來(lái)，零件將開(kāi)始重新干燥。還有，如果暴露時(shí)間有限，夾帶的潮氣將在相對短的時(shí)間里去掉。IPC/JEDEC標準規定對于暴露時(shí)間少于8小時(shí)的零件在干燥環(huán)境持續5倍的時(shí)間，可以將暴露時(shí)間重置為零。再一次，真正的問(wèn)題是要給生產(chǎn)操作員提供一個(gè)可行的工作程序。

備料剛好的數量

利用最短暴露時(shí)間的原則，一些裝配制造商已經(jīng)采用少量發(fā)放MSD的方法，準備的數量剛好夠八小時(shí)裝配的。如果任何零件在該限定之前還有，通過(guò)充分的干燥儲存時(shí)間還可以將零件帶回干燥條件。這樣涉及詳細的數量計算包括每個(gè)MSD的報廢因素。昂貴而易損的IC必須手工地從塑料拖盤(pán)中移進(jìn)移出。另外，盤(pán)帶必須剪切適當的長(cháng)度。后者要求較困難的分切操作，以增加送料器所要求的導引帶，而且要將所有的元件信息從原來(lái)的包裝轉移到新的拖盤(pán)/卷盤(pán)。

這種操作將造成高度的機械或ESD損壞的危險性，對品質(zhì)、合格率和成本產(chǎn)生壞的影響。另外，關(guān)鍵的是監測零件不要超過(guò)所規定的八小時(shí)，并且在重新發(fā)放給生產(chǎn)之前花五倍以上的時(shí)間進(jìn)行干燥。

每一件東西都進(jìn)行烘焙

另一種辦法是有系統地烘焙所有生產(chǎn)后留下的部分使用的拖盤(pán)和卷盤(pán)。這是一個(gè)較簡(jiǎn)單的管理程序，但是它可能產(chǎn)生比它實(shí)際防御更多的問(wèn)題。重要的是要注意，烘鋇的缺省條件已經(jīng)在最新的IPC/JEDEC標準中增加很多。對于包裝在高溫拖盤(pán)內的零件，現在的周期125°C 48小時(shí)。在卷盤(pán)和低溫脫盤(pán)上的元件必須以40°C烘焙68天。在大部分公司，這樣做簡(jiǎn)直是不可能的。標準規定除非另行表明，烘焙周期在完成的元件上是可允許的。如果需要不止一個(gè)烘杯周期，應該咨詢(xún)供應商。

手工記錄時(shí)間

在許多公司，MSD程序要求生產(chǎn)操作員手工地記錄零件從其保護性干燥袋中最初取出的日期和時(shí)間。因為多數MSD都是包裝在JEDEC/EIAJ的拖盤(pán)或卷盤(pán)內，暴露時(shí)間記錄表（對于在卷盤(pán)上的）可以包括在一個(gè)標貼內。在拖盤(pán)的情況中，沒(méi)有辦法將處理數據直接附在容器上。由于這些限制，很難維持元件與起各自記錄表之間的聯(lián)系，因為拖盤(pán)和卷盤(pán)從貼片機、干燥室裝上拆下。

除了記錄表實(shí)際

的物理格式外，它所包含的動(dòng)態(tài)變化的數據產(chǎn)生進(jìn)一步的困難。信息必須包括零件編號和敏感性水平，因為這些數據在包裝袋打開(kāi)和扔掉之后就失去了。為了跟蹤暴露時(shí)間，記錄表必須包括至少一列來(lái)記錄當包裝袋最初打開(kāi)時(shí)的日期與時(shí)間。為了是該程序計入干燥儲存所花的時(shí)間，記錄表還必須包括記錄材料進(jìn)入和移出干燥室或干燥袋的日期與時(shí)間（可能多次）。

有關(guān)這類(lèi)手工記錄的最大困難是，基于日期與時(shí)間的計算不是簡(jiǎn)單的代數運算。甚至是訓練有素的人都要花大量的時(shí)間與精力，而且還誘發(fā)人為的錯誤。在這個(gè)事情上消耗的時(shí)間也對設頂時(shí)間和機器/生產(chǎn)線(xiàn)的利用率有直接的影響。

送料器與貼片機的檢驗

在材料運動(dòng)期間的時(shí)間記錄程序是一個(gè)好的開(kāi)始；可是，在裝載在貼片機上時(shí)它幾乎不能提供任何可見(jiàn)的零件現狀。這一點(diǎn)為什么重要呢？可能是個(gè)別元件最終將超過(guò)起最長(cháng)的暴露時(shí)間，因為這是他們花時(shí)間最長(cháng)的地方。

干燥控制的部分測量可以通過(guò)定期檢驗來(lái)達到。檢驗頻率很大程度上決定于敏感性級別和產(chǎn)品轉換和有關(guān)送料器設置的次數。事實(shí)上，它意味著(zhù)生產(chǎn)操作員必須基于前面的記錄進(jìn)行額外的日期與時(shí)間的計算，并最終在過(guò)期之前將元件從貼片機上取下。

由于缺乏可見(jiàn)性，裝在機器、送料器承放架上的MSD可能會(huì )暴露更長(cháng)的時(shí)間。對于有固定送料器設置和未用完的拖盤(pán)與卷盤(pán)不從機器取下的生產(chǎn)線(xiàn)，應該非常小心。

除了這些關(guān)注之外，還有與有關(guān)工藝相聯(lián)系的其它困難。包括烘焙、重新密封在干燥袋中、重新貼標簽、修理與返工、設備編程、重新裝帶、雙面回流、室內條件下降、等。

結論

有許多大的障礙阻止裝配制造商適當地控制對MSD的損害。在許多情況中，有足夠的成文的程序，但是馬上變成人為的不可遵循。這會(huì )造成大量不能接受的缺陷。PCB裝配運作應該在最新的IPC/JEDEC標準上重新評估其MSD工作程序。雖然對潮濕危害的控制和靜電損害一樣重要，但是它沒(méi)有得到同樣的注意。人們要求新的系統與方法來(lái)提供對生產(chǎn)環(huán)境中這類(lèi)問(wèn)題的可行的和可靠的解決方案。