電子產(chǎn)品組裝過程常見失效機(jī)理及預(yù)防措施

文/胡長亮

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了小型化、智能化的轉(zhuǎn)變，這得益于大規(guī)模集成電路的使用，然而，集成化的電路設(shè)計(jì)卻是一把雙刃劍，在降低能耗、減小體積的同時(shí)，也增加了電子產(chǎn)品的不穩(wěn)定性。其中，核心電路板的失效將導(dǎo)致整個(gè)電子產(chǎn)品無法正常使用，因此，研究電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性，則需要從電子產(chǎn)品組裝過程中的失效機(jī)理進(jìn)行研究，并提出具有針對性的預(yù)防措施。

圖1：摩擦起電的原理示意圖

1 電子產(chǎn)品組裝過程中的常見失效機(jī)理

微電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的使用，促進(jìn)了電子產(chǎn)品的小型化，部分敏感元器件封裝尺寸不斷縮小，這些元器件對不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移較為敏感，導(dǎo)致電子元器件處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)而存在失效風(fēng)險(xiǎn)。尤其在電子產(chǎn)品組裝過程中，其常見失效機(jī)理包括以下幾種類型。

1.1 靜電產(chǎn)生及放電的失效機(jī)理

當(dāng)物體中的電子產(chǎn)生定向轉(zhuǎn)移時(shí)，該物體被極化，由此產(chǎn)生了帶電現(xiàn)象，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移的實(shí)際情況，物體的極化效果存在正極性和負(fù)極性之分，并且，電子轉(zhuǎn)移量越大，其極性也就越明顯。在生活中，靜電產(chǎn)生的主要方式包括摩擦起電和感應(yīng)帶電。

所謂摩擦起電，是指由于不同物體在表面接觸、摩擦的過程中存在能態(tài)差異，在接觸面上發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生偶電層，具體如圖1所示。

其中，A代表著接觸物體表面能態(tài)作用下的電荷轉(zhuǎn)移過程，在完成電荷轉(zhuǎn)移之后，在接觸物體表面形成B中的偶電層，當(dāng)接觸物體分開時(shí)，也就產(chǎn)生了C中的帶電現(xiàn)象。根據(jù)摩擦起電的原理和現(xiàn)象可以這樣認(rèn)為，偶電層的存在，相當(dāng)于一個(gè)電容器，隨著電容器兩極板距離的增加，電容值將減小，其接觸面積電壓卻能夠迅速增加，靜電的危害自此產(chǎn)生。一旦放電環(huán)境成立，將會(huì)產(chǎn)生較大的電流，對于電子產(chǎn)品電路板上的電子元器件來說，這一電流會(huì)影響到電子元器件的正常工作。

除摩擦起電以外，另一種靜電產(chǎn)生方式則為感應(yīng)帶電，部分不帶電的導(dǎo)體能夠在特殊的外界電場環(huán)境作用下變?yōu)閹щ妼?dǎo)體，物體內(nèi)部電子的定向聚集，使物體形成感應(yīng)電勢，也就具有了正向電位。感應(yīng)電勢的存在，能夠在與電子產(chǎn)品電路板接觸時(shí)形成火花放電反應(yīng)，這種放電可以分為直接接觸或非直接接觸兩種類型，對于電子產(chǎn)品的危害也較大。

1.2 溫濕度敏感電子元件的失效機(jī)理

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，部分用到的電子元器件對于環(huán)境中溫濕度的變化較為敏感，以至于在電子產(chǎn)品組裝過程中受環(huán)境中溫濕度的影響而發(fā)生失效。例如，電子產(chǎn)品組裝處于高溫環(huán)境時(shí)（回流焊、波峰焊），電子元器件中的濕氣將在高溫下形成蒸汽，進(jìn)而導(dǎo)致元器件內(nèi)部形變，或者是后期腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。其中以腐蝕導(dǎo)致的電子元器件失效主要表現(xiàn)在脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)變化等，即便在電子產(chǎn)品組裝過程中未發(fā)現(xiàn)其中異樣，也會(huì)為后期使用埋下隱患。

以較為常見的“爆米花效應(yīng)”為例，對于塑料封裝工藝的電子元器件來說，由于塑料元件能夠吸附空氣中的水分，以至于在經(jīng)過回流焊或波峰焊時(shí)受高溫作用，超出塑封電子元器件模壓材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，模壓材料變軟，失效應(yīng)力作用下的元器件水分迅速氣化膨脹，當(dāng)水分氣壓達(dá)到一定程度后，將對封裝造成明顯破壞，最嚴(yán)重的就是電子元器件鼓裂、爆裂，這就是所謂的“爆米花”效應(yīng)。

2 電子產(chǎn)品組裝過程的防護(hù)措施

在電子產(chǎn)品組裝過程中，無論是靜電的存在，還是溫濕度環(huán)境的變化，都會(huì)影響到電子產(chǎn)品的正常性能，嚴(yán)重者將會(huì)威脅到使用者的人身安全。因此，為確保電子產(chǎn)品的安全性、功能性，則需要在電子產(chǎn)品組裝過程中選擇有效的防護(hù)措施。

2.1 靜電防護(hù)措施

針對較為常見的靜電失效現(xiàn)象來說，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、組裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)普遍存在，然而，靜電危害的根本在于電荷的積累，因此，在靜電防護(hù)中，應(yīng)針對電荷的積累制定對應(yīng)的防護(hù)措施。

2.1.1 靜電耗散及釋放

在實(shí)際電子產(chǎn)品組裝過程中，對產(chǎn)生的靜電及時(shí)進(jìn)行耗散與釋放是防治靜電危害的主要方法之一，通常使用防靜電材料進(jìn)行處理。其中，靜電耗散主要是利用了防靜電材料能夠組織同類型電荷在某一區(qū)域的積累，從而降低電子元器件表面電勢，防止靜電危害形成。靜電釋放是指對物體表面已經(jīng)積累的電荷進(jìn)行特殊處理的一種方法，使原本積累的電荷向大地轉(zhuǎn)移。

以靜電接地為例，其形式包括軟接地和硬接地兩種，以串接限制流過人體的電流進(jìn)入大地的方式成為軟接地，硬接地則是將電子元器件與大地相連接的一種方式。在實(shí)際電子產(chǎn)品組裝過程中，這兩種方式都得到了普遍應(yīng)用。軟接地方式主要為一線組裝工人所使用（靜電電流限制在5mA以內(nèi)），該方式的選擇與實(shí)際工作現(xiàn)場的靜電積累速度相關(guān)。硬接地則針對大型用電設(shè)備的靜電釋放，硬接地通道應(yīng)單獨(dú)設(shè)立于靜電防護(hù)工程之中，建立專用的靜電釋放線路，保證靜電電壓能夠在1s的時(shí)間內(nèi)將至100V以下。

2.1.2 靜電中和

所謂靜電中和，是指利用相反電荷的作用原理，通過外加電荷的形式，將原積累電荷進(jìn)行中和的過程。作為消除靜電的主要措施，對于電子產(chǎn)品中無法使用靜電防護(hù)材料的情況，則可以采用靜電中和的方式避免靜電對其產(chǎn)生的危害。一般情況下，多使用局部工作區(qū)域靜電中和或工作臺(tái)靜電中和措施，在條件允許的前提下，甚至可以對電子產(chǎn)品組裝車間整體進(jìn)行靜電中和。

然而，靜電中和的使用卻存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，例如，當(dāng)靜電中和器異性電荷釋放與實(shí)際靜電荷量差別較大時(shí)，靜電中和器將產(chǎn)生靜電高壓，使用不當(dāng)?shù)那闆r下，容易對人體、電子產(chǎn)品造成二次傷害。因此，在使用類似高壓靜電中和器時(shí)，需要隨時(shí)關(guān)注設(shè)備上的靜電電壓顯示值，使其維持在一定的安全范圍之內(nèi)。

2.1.3 環(huán)境增濕

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境濕度的大小對于靜電的釋放有著一定的影響，隨著相對濕度的增加，物體表面電阻將明顯下降，以紙為例，在相對濕度為90%的環(huán)境中，其表面電阻約為1×109Ω，當(dāng)環(huán)境相對濕度將至40%時(shí)，其表面電阻則增加到1×1011Ω左右。由此來看，對于電子產(chǎn)品組裝環(huán)境的濕度控制，應(yīng)當(dāng)結(jié)合電子元器件的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，在考慮到成本的情況下，可以適當(dāng)增加電子產(chǎn)品組裝臺(tái)區(qū)域的濕度，以實(shí)現(xiàn)對靜電的良好控制。

這里需要注意的是，環(huán)境增濕法在靜電控制中的使用具有一定的限制，濕度過大不僅會(huì)影響到電子元器件的正常性能，也會(huì)對工作人員的身體造成一定的傷害。并且，從成本方面考慮，在大型電子組裝車間中使用這一方法也不現(xiàn)實(shí)。以波峰焊車間為例，經(jīng)過波峰焊的電路板溫度較高，如果此時(shí)車間內(nèi)部相對濕度較大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電路板金屬部分出現(xiàn)氧化、腐蝕現(xiàn)象，這為電子產(chǎn)品的質(zhì)量問題埋下了隱患。

2.2 濕敏元件應(yīng)對措施

針對濕敏元件，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有著明確的防護(hù)說明，相關(guān)電子元器件除再生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制環(huán)境濕度外，出廠前也會(huì)采用真空包裝的形式，避免環(huán)境濕度距離變化對電子元件性能造成影響。為指導(dǎo)濕敏元件的使用，廠家一般會(huì)在真空包裝袋內(nèi)放置濕敏卡或貼有濕敏標(biāo)簽，濕敏卡和標(biāo)簽會(huì)隨著內(nèi)部環(huán)境濕度的變化而產(chǎn)生對應(yīng)的顏色變化，通過觀察濕敏卡的顏色，就能夠確定濕敏元件存放環(huán)境是否滿足要求。

在實(shí)際電子產(chǎn)品組裝過程中，由于元件真空包裝已經(jīng)損壞，濕敏卡和標(biāo)簽所顯示的濕度值已經(jīng)超標(biāo)，如需二次使用這些卡和標(biāo)簽，則需要對其進(jìn)行低溫烘烤，否則，濕度現(xiàn)實(shí)結(jié)果將與真實(shí)值存在較大偏差。

除在生產(chǎn)和組裝過程中對濕敏元件進(jìn)行失效預(yù)防措施以外，對于存儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的濕敏元件防護(hù)也較為關(guān)鍵。任何一種材料都具有吸水性，其差異在于吸水能力的大小，甚至有些材料自身就具有透水性。電子元器件封裝材料在吸水后將明顯改變其性能，甚至對內(nèi)部芯片、電路造成破壞，使其功能失效。因此，電子產(chǎn)品中含有濕敏元件的，應(yīng)當(dāng)提供標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)環(huán)境，嚴(yán)格控制存儲(chǔ)空間內(nèi)的濕度變化范圍，確保濕敏元件的性能不受影響。

3 總結(jié)

電子產(chǎn)品的小型化、集成化對電子元件的性能提出了較高要求，高度集成化的電路板中元器件間的能量釋放密度與互聯(lián)密度明顯增加，從而導(dǎo)致電子產(chǎn)品組裝過程中的電子元件失效分析更加困難。通過分析電子元件特性，對電子元件常見失效原因進(jìn)行研究，減少因靜電、濕度等多種因素導(dǎo)致的電子產(chǎn)品組裝過程中電子元件失效問題，在提高電子產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，也降低了因電子元件失效造成的生產(chǎn)成本增加問題。

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