濕度敏感電子元器件質(zhì)量控制方法

摘 要：隨著集成電路封裝小型化以及表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，非氣密性表面貼裝器件（SMD）的發(fā)展非常迅速，但由于吸濕的緣故，其失效率也居高不下。本文主要分析非氣密性表面貼裝器件的失效機(jī)理，并對這一類的器件的質(zhì)量控制方法進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：適度敏感器件；非氣密性表面貼裝器件；層

1 引言

隨著集成電路封裝小型化以及表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，非氣密性表面貼裝器件（SMD）的發(fā)展非常迅速，但由于吸濕的緣故，在貼裝過程中可能會導(dǎo)致失效。

2 濕度敏感器件（MSD）

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，MSD主要指非氣密性表面貼裝器件（SMD），包括塑料封裝、其他透水性聚合物封裝（環(huán)氧、有機(jī)硅樹脂等），一般集成電路、芯片、電解電容、發(fā)光二極管等都屬于非氣密性SMD器件。

3 失效分析

（1）分層產(chǎn)生的機(jī)理

由于MSD器件的封裝材料與其他材料之間的界面屬于粘合結(jié)構(gòu)（即界面的兩種材料通過分子之間的作用力結(jié)合在一起），而不是兩種材料互溶、互擴(kuò)散、形成化合物的結(jié)構(gòu)。那么在其暴露于大氣中的過程中，大氣中的水分會通過擴(kuò)散滲透到器件的封裝材料內(nèi)部。當(dāng)器件經(jīng)過貼片貼裝到PCB上以后，要流到回流焊爐內(nèi)進(jìn)行回流焊接。在回流區(qū)，整個器件要在183℃以上30～90s左右，最高溫度可能在210～235℃（SnPb共晶），無鉛焊接的峰值會更高，在245℃左右。在回流區(qū)的高溫作用下，器件內(nèi)部的水汽會快速膨脹，器件的不同材料之間的配合會失去調(diào)節(jié)，各種連接則會產(chǎn)生不良變化，從而導(dǎo)致器件剝離分層（如圖一、圖二所示）或者爆裂，于是器件的電器性能受到影響或者破壞。

然而像ESD破壞一樣，大多數(shù)情況下，肉眼是看不出來這些變化的，而且在測試過程中，也不會表現(xiàn)為完全失效。

圖1 水分膨脹導(dǎo)致分層過程

圖2 分層在塑封集成電路中存在的四種形態(tài)

分層產(chǎn)生的原因

1.MSD器件的包裝及存儲環(huán)境未達(dá)到要求

MSD的濕敏等級按J-STD-020D《Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices》國際標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，可分為6大類，其中濕敏等級屬于2～6級的器件必須采用防潮包裝。而且，一旦把器件從防潮包裝中拿出來，就必須在規(guī)定的時間內(nèi)組裝上板，否則就有可能失效或產(chǎn)生可靠性問題。

因此，若MSD器件供貨時已無防潮包裝，入庫時又不進(jìn)行烘干處理并抽真空包裝，在南方這種濕度較大的存儲環(huán)境下，勢必會造成大量MSD器件吸濕受潮。

2.受潮的MSD器件上板前未進(jìn)行預(yù)處理

目前在大多數(shù)企業(yè)使用的MSD器件的濕敏等級多為3級，對于此類器件而言，打開防潮包裝后，必須在168小時內(nèi)進(jìn)行組裝上板，若超過此期限，則使用前必須重新烘干。對于BGA封裝器件，則無論是否超過規(guī)定期限，使用前都必須重新烘干，然后根據(jù)濕度敏感警示標(biāo)志上的說明在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行回流焊接。

若上板前已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間期限，而且上板前也沒有經(jīng)過烘干的工序，怎會造成MSD器件吸濕受潮。

3.MSD涉及的制造工藝發(fā)生變化

無鉛合金的回流峰值溫度相較于SnPb共晶更高，可能使MSD的濕度敏感性至少下降1或2個等級。

（2）典型器件失效分析

以ADSP-TS101SAB2器件為例，具體分析如下：

1.封裝形式

圖3 BGA封裝示意圖

2.原因分析

由于ADSP-TS101SAB2器件屬于BGA封裝，其引腳在焊接時具有不可見性，故不能像常規(guī)方法對引腳加熱焊接，只能采用間接加熱的方法。即熱量從芯片上部先對芯片加熱，然后熱量通過芯片再傳導(dǎo)到錫球上，錫球融化后就把芯片與PCB上的焊盤鏈接上。其熱量傳遞過程如下圖所示：

圖4 加熱中熱量傳遞過程分析

由于錫球呈一定距離分布在芯片下，熱量通過錫球傳遞到PCB上時傳遞路徑很窄，熱通道受阻，將導(dǎo)致熱量大量在芯片上堆積，此時器件如果在潮濕環(huán)境中吸附了水汽，則會由于汽化膨脹造成芯片與基板之間發(fā)生大面積分離，造成器件失效。但也有可能當(dāng)溫度恢復(fù)到常溫時，芯片又會接觸到基板形成臨時性的電連接，但這種電連接是不穩(wěn)定的，任何熱的或機(jī)械應(yīng)力都可能造成這種連接再次分離或接觸。

3.超聲波掃描照片

4 質(zhì)量控制方法

分層是塑封芯片的一種嚴(yán)重失效模式，可引起器件性能下降、甚至失效。如：分層發(fā)生在塑料與芯片的界面，一方面，可引起芯片的鍵合引線由于機(jī)械拉伸，鍵合引線（包括內(nèi)、外鍵合點(diǎn)）產(chǎn)生機(jī)械損傷而導(dǎo)致連接電阻增大或開路；另方面，可引起芯片表面鈍化層損傷，導(dǎo)致芯片漏電增加、擊穿電壓下降、金屬化條斷裂等；再者，塑料與芯片界面的分層，導(dǎo)致水汽更容易進(jìn)入到芯片表面，使芯片性能下降。所以，必須加以重視。

（1）MSD的標(biāo)識和跟蹤

要控制MSD，首先要知道哪些器件屬于MSD器件。即應(yīng)要求供應(yīng)商確保供應(yīng)的器件是被正確包裝的，且包裝上應(yīng)標(biāo)明器件的MSL，以便于我們了解器件的濕度敏感性信息，采取相應(yīng)措施。其次，應(yīng)建立公司所用MSD的數(shù)據(jù)庫，由專人負(fù)責(zé)定期將MSD列表發(fā)布給相關(guān)部門。再者，應(yīng)根據(jù)MSD列表，對入庫的器件進(jìn)行分類標(biāo)識，如MSD用黃色標(biāo)簽紙標(biāo)識，其他器件用白色標(biāo)簽紙標(biāo)識，此標(biāo)識應(yīng)保持到器件貼裝上板。最后，應(yīng)對所有相關(guān)人員不斷培訓(xùn)和考核，至少保證其知道MSD是怎么一回事。

（2）MSD的規(guī)范操作

要控制MSD，除了要知道那些器件屬于MSD器件以外，還要掌握這類器件的存儲、包裝、使用方法，為此應(yīng)擬制MSD操作規(guī)范，并對所有相關(guān)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)和考核，以確保MSD相關(guān)操作的規(guī)范性。

1.MSD的采購

應(yīng)與采購合同（協(xié)議）中明確對于MSD分層的接收判據(jù)。

要求供應(yīng)商確保供應(yīng)的器件是被正確包裝的，且包裝上應(yīng)標(biāo)明器件的MSL。

2.MSD的檢驗(yàn)

應(yīng)擬制MSD器件的通用驗(yàn)收規(guī)范，內(nèi)容包括：

1）適用范圍

集成電路、電解電容、發(fā)光二極管等非氣密性SMD器件。

2）檢驗(yàn)步驟

A.有超聲波掃描設(shè)備

外觀檢驗(yàn)→判定→性能檢驗(yàn)→判定→應(yīng)力篩選→超聲波檢驗(yàn)→判定→烘干

B.無超聲波掃描設(shè)備

可以進(jìn)行電性能檢測的器件。

外觀檢驗(yàn)→判定→性能檢驗(yàn)→判定→應(yīng)力篩選→性能檢驗(yàn)→判定→烘干

無法進(jìn)行電性能檢測的器件。

外觀檢驗(yàn)→判定→應(yīng)力篩選→抽樣送檢（超聲波掃描）→判定→烘干

3）檢驗(yàn)項(xiàng)目及合格判據(jù)

對于此類器件的檢驗(yàn)除了常規(guī)的外觀和性能檢驗(yàn)外，還應(yīng)增加超聲波掃描檢驗(yàn)。根據(jù)JEDEC的有關(guān)規(guī)定芯片表面/封裝樹脂間分層、引線框內(nèi)引腳表面與封裝樹脂間分層應(yīng)小于50%；引線框載片底層與封裝樹脂間分層以及芯片表面與導(dǎo)電膠之間不允許有分層。

4）應(yīng)力篩選方法

具體篩選條件可根據(jù)元器件的存儲溫度范圍（篩選時不施加電應(yīng)力）或工作溫度范圍（篩選時施加電應(yīng)力），參照J(rèn)ESD22-A104《Temperature Cycling》表1、表2、表3的有關(guān)內(nèi)容選擇篩選溫度和循環(huán)周期。

5）干燥方法

通常情況下，采用的干燥方法是在一定溫度下對器件進(jìn)行一定時間的恒溫烘干處理。

根據(jù)器件的MSL、大小和周圍環(huán)境濕度狀況，不同的MSD的烘干過程也各不相同。通常情況下烘干溫度不應(yīng)高于該器件的最高存儲溫度，具體溫度和時間可參照IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表4-1的有關(guān)要求執(zhí)行。

6）注意事項(xiàng)

由于超聲波掃描過程中必須將器件浸入水中，所以掃描結(jié)束后應(yīng)將器件進(jìn)行烘干處理后再進(jìn)行下一步處理。

烘烤時需注意ESD保護(hù)，尤其烘干后，環(huán)境特別干燥，最容易產(chǎn)生靜電。

檢驗(yàn)時需注意佩戴靜電手環(huán)、手指套等防靜電用具。

需確定MSD的MSL，并以黃色標(biāo)簽紙標(biāo)注。

如需送專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行超聲波掃描，則若檢測結(jié)果為不合格，則應(yīng)由供應(yīng)商承擔(dān)檢測費(fèi)用，此項(xiàng)可列入相關(guān)采購合同（協(xié)議）中。

3.MSD的包裝和存儲

對于經(jīng)檢驗(yàn)合格的MSD和沒有用完的MSD應(yīng)重新包裝，主要包裝材料有防潮包裝袋、干燥劑、濕度測試紙等。不同等級的MSD打包的要求并不一樣，在密封以前，對于MSL為2a～5a的器件必須進(jìn)行干燥（除濕）處理。由于盛放器件的料盤和器件一起密封時，會影響器件的MSL，因此作為補(bǔ)償，這些料盤也要進(jìn)行干燥處理。

重新打包后的MSD應(yīng)以黃色標(biāo)簽標(biāo)識后儲存。

對于貯存期超過1年或濕度測試紙已變色（貯存期可能尚在1年內(nèi)）的器件需全數(shù)進(jìn)行超聲波掃描篩選（或抽樣送專門檢測機(jī)構(gòu)測試），剔除失效器件后，重新打包存放。（對具備電性能檢測手段的器件，還應(yīng)進(jìn)行電性能檢測。）

4.MSD的使用

1）發(fā)料

為了確保物料在規(guī)定的車間壽命內(nèi)完成貼裝，物料配送數(shù)量在保證生產(chǎn)的同時，還應(yīng)遵循上線物料數(shù)目最小的原則。例如MSL等于4的MSD，其車間壽命為72小時，則如果貼裝無法在72小時內(nèi)完成，就應(yīng)該分批發(fā)料，以確保在器件失效以前完成生產(chǎn)。

2）涉及的制造工藝

①M(fèi)SD可暴露于空氣中存放的時間

應(yīng)注意元器件包裝被打開后用于安裝和焊接的過程中可以暴露于空氣中存放的時間，以防止因元器件吸濕受潮而導(dǎo)致的回流焊焊接質(zhì)量下降或電氣性能改變。IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表5-1規(guī)定了在裝配過程中，一旦密封防潮包裝被打開，元器件必須被用于安裝、焊接的相應(yīng)時間。絕大多數(shù)集成電路器件的濕度敏感等級為3級，其車間壽命，即從將其取出防濕袋到干燥儲存或烘干再到回流焊所允許的時間段為168小時；而BGA封裝器件的濕度敏感等級一般來說為5級以上，車間壽命在48小時以內(nèi)。

②上板前預(yù)處理

由于在裝配過程中，元器件包裝被打開后有可能無法在相應(yīng)時間內(nèi)使用完畢，使得其暴露于空氣中的時間超過了上表規(guī)定的時間，那么對這些元器件應(yīng)在回流焊前進(jìn)行烘烤。烘烤的溫度不應(yīng)高于該器件的存儲溫度上限，同時不能超過125℃，因?yàn)檫^高的溫度會造成器件內(nèi)部損傷，但若烘烤的溫度過低，則無法起到除濕的作用。具體溫度和時間可參照IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》表4-1的有關(guān)要求執(zhí)行。

如果條件允許，建議在裝配前烘烤元器件，這樣做，一方面有利于消除其內(nèi)部濕氣，另一方面有利于提高其耐熱性，減少元器件進(jìn)入回流焊受到的熱沖擊對器件的影響。元器件在烘烤后取出，自然冷卻半小時才能進(jìn)行裝配作業(yè)。

③焊接溫度

焊接溫度應(yīng)滿足IPC/JEDEC J-STD-020D《Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices》表4-1、表4-2的有關(guān)要求，原則上SMD器件不允許手工焊接。

④X-RAY檢測

由于BGA封裝器件經(jīng)無鉛回流焊，其焊球內(nèi)易產(chǎn)生氣泡，而這種缺陷（見下圖中的白色亮點(diǎn)）可以通過X-Ray檢測出來，故要求外協(xié)廠商增加X-Ray對BGA封裝的檢查這一工序，并在外協(xié)協(xié)議中規(guī)定對于氣泡的可接受標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 失效器件X-RAY檢測結(jié)果

3）返修

如果要拆掉印制板上的MSD器件，最好采用局部加熱，器件的表面溫度控制在200℃以內(nèi)，以減小濕度造成的損壞。如果有些器件的溫度要超過200℃，而且超過了規(guī)定的車間壽命，在返工前要對印制板組件進(jìn)行烘烤，在車間壽命以內(nèi)，器件所能經(jīng)受的溫度和回流焊接所能承受的溫度一樣。

（3）庫存MSD器件的處理方法

對于庫存MSD器件的處理方法，也可以分為兩種情況。若有超聲波掃描設(shè)備，則應(yīng)全數(shù)進(jìn)行掃描篩選。若無超聲波掃描設(shè)備（或設(shè)備尚在采購中），可按如下步驟操作。

1.分類

1）按封裝形式

篩選出表貼式MSD器件和需經(jīng)回流焊的直插式MSD器件。

2）按入庫時間

根據(jù)MSD的MSL等級，在1（按封裝形式）的篩選結(jié)果中進(jìn)一步篩選出入庫時間超過車間壽命的器件。

3）按元器件價格

在2（按入庫時間）的篩選結(jié)果中進(jìn)一步篩選出價格≥10元/個的元器件（據(jù)了解，專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測費(fèi)用為750元/小時，一般來說1小時可以檢測6個批次左右的器件（每一批次器件厚度需一致，根據(jù)器件的體積在20～30個左右），復(fù)雜器件除外）。

2.復(fù)驗(yàn)

1）具備電性能檢測手段的MSD器件，應(yīng)全數(shù)進(jìn)行電性能復(fù)測和溫度循環(huán)應(yīng)力篩選，復(fù)測合格后抽真空保存。

2）不具備電性能檢測手段的MSD器件且經(jīng)過之前方法篩選出來的器件，應(yīng)抽樣送專門的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行超聲波掃描。

3）根據(jù)復(fù)驗(yàn)結(jié)果確定庫存器件是否還可以使用。

（4）貼裝MSD器件的印制電路板組件

1.MSD器件的使用參照3.2.5，對于BGA器件，上板前應(yīng)進(jìn)行干燥處理（元器件在烘烤后取出，自然冷卻半小時才能進(jìn)行裝配作業(yè)），相關(guān)要求應(yīng)列入外協(xié)技術(shù)協(xié)議中。

2.要求外協(xié)廠對回流焊后的BGA器件進(jìn)行X-RAY掃描，發(fā)現(xiàn)失效應(yīng)及時更換，并提供合格產(chǎn)品的掃描照片。

將加工好的印制電路板組件抽樣進(jìn)行超聲波掃描（若需送往專門檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，則測試不合格應(yīng)由外協(xié)廠承擔(dān)檢測費(fèi)用，由于電路板組件的測試費(fèi)用非常昂貴，所以必須寫入技術(shù)協(xié)議中），測試結(jié)果合格方能進(jìn)入下一步工序。

參考文獻(xiàn)

[1]《塑封集成電路分層研究》 吳建忠，陸志芳

[2]JESD22-A104《Temperature Cycling》

[3]IPC/JEDEC J-STD-033B《Handling，Packing，Shipping and use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices》

[4]IPC/JEDEC J-STD-020D《Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices》

作者簡介

屠雪霞（1979-），女，上海，工程碩士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)工程質(zhì)量管理