潮湿敏感元件
By Robert Rowland
本文介绍，应该清楚地认识到元件对潮湿的敏感性是一个复杂的主题。
潮湿敏感性元件的主题是相当麻烦但很重要的 - 并且经常被误解的。由于潮湿敏感性元件使用的增加，诸如薄的密间距元件(fine-pitch
device)和球栅阵列(BGA, ball grid array)，使得对这个失效机制的关注也增加了。当元件暴露在回流焊接期间升高的温度环境下，陷于塑料的表面贴装元件(SMD,
surface mount device)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包括塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。在一一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面；最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。
IPC - 美国电子工业联合会制订和发布了 IPC-M-109, 潮湿敏感性元件标准和指引手册。它包括以下七个文件：
- IPC/JEDEC J-STD-020 塑料集成电路(IC)SMD的潮湿/回流敏感性分类
- IPC/JEDEC J-STD-033 潮湿/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用标准
- IPC/JEDEC J-STD-035 非气密性封装元件的声学显微镜检查方法
- IPC-9501 用于评估电子元件(预处理的IC元件)的印刷线路板(PWB, printed wiring board)的装配工艺过程的模拟方法
- IPC-9502 电子元件的PWB装配焊接工艺指南
- IPC-9503 非IC元件的潮湿敏感性分类
- IPC-9504 评估非IC元件(预处理的非IC元件)的装配工艺过程模拟方法
原来的潮湿敏感性元件的文件，IPC-SM-786, 潮湿/回流敏感性IC的检定与处理程序，不再使用了。
IPC/JEDEC J-STD-020 定义了潮湿敏感性元件，即由潮湿可透材料诸如塑料所制造的非气密性包装的分类程序。该程序包括暴露在回流焊接温度接着详细的视觉检查、扫描声学显微图象、截面和电气测试等。
测试结果是基于元件的体温，因为塑料模是主要的关注。`标准的回流温度是220°C+5°C/-0°C，但是回流试验发现，当这个温度设定为大量元件的电路板的时候，小量元件可达到235°C。如果可能出现更高的温度，比如可能出现小量与大量元件的情况，那么推荐用235°C的回流温度来作评估。可使用对流为主、红外为主或汽相回流设备，只要它可达到按照
J-STD-020 的所希望的回流温度曲线。
下面列出了八种潮湿分级和车间寿命(floor life)。有关保温时间标准的详情，请参阅 J-STD-020。
- 1 级 - 小于或等于30°C/85% RH 无限车间寿命
- 2 级 - 小于或等于30°C/60% RH 一年车间寿命
- 2a 级 - 小于或等于30°C/60% RH 四周车间寿命
- 3 级 - 小于或等于30°C/60% RH 168小时车间寿命
- 4 级 - 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命
- 5 级 - 小于或等于30°C/60% RH 48小时车间寿命
- 5a 级 - 小于或等于30°C/60% RH 24小时车间寿命
- 6 级 - 小于或等于30°C/60% RH 72小时车间寿命 (对于6级，元件使用之前必须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。)
增重(weight-gain)分析(参阅J-STD-020)确定一个估计的车间寿命，而失重(weight-loss)分析确定需要用来去掉过多元件潮湿的烘焙时间。J-STD-033提供有关烘焙温度与时间的详细资料。
IPC/JEDEC J-STD-033提供处理、包装、装运和烘焙潮湿敏感性元件的推荐方法。重点是在包装和防止潮湿吸收上面
- 烘焙或去湿应该是过多暴露发生之后使用的最终办法。
干燥包装涉及将潮湿敏感性元件与去湿剂、湿度指示卡和潮湿敏感注意标贴一起密封在防潮袋内。标贴含有有关特定温度与湿度范围内的货架寿命、包装体的峰值温度(220°C或235°C)、开袋之后的暴露时间、关于何时要求烘焙的详细情况、烘焙程序、以及袋的密封日期。
1 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是不要求的，除非元件分类到235°C的回流温度。
2 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。
2a ~ 5a 级。装袋之前干燥是要求的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。
6 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是要求的。
元件干燥使用去湿或烘焙两种方法之一。室温去湿，可用于那些暴露在30°C/85% RH 条件下少于8小时的元件，使用标准的干燥包装方法或者一个可以维持25°C±5°C、湿度低于10%RH的干燥箱。
烘焙比许多人所了解的要更复杂一点。对基于级别和包装厚度的干燥前与后的包装，有一些烘焙的推荐方法。预烘焙用于干燥包装的元件准备，
而后烘焙用于在车间寿命过后重新恢复元件。请查阅并跟随J-STD-033中推荐的烘焙时间/温度。烘焙温度可能通过氧化引脚或引起过多的金属间增生(intermetallic
growth)而降低引脚的可焊接性。不要将元件存储在烘焙温度下的炉子内。记住，高温托盘可以在125°C之下烘焙，而低温托盘不能高于40°C。
IPC的干燥包装之前的预烘焙推荐是：
包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围8~28小时，或150°C烘焙4~14小时。
包装厚度小于或等于2.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围23~48小时，或150°C烘焙11~24小时。
包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围48小时，或150°C烘焙24小时。
IPC的车间寿命过期之后的后烘焙推荐是：
包装厚度小于或等于1.4mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围4~14小时，或40°C烘焙5~9天。
包装厚度小于或等于2.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围18~48小时，或40°C烘焙21~68天。
包装厚度小于或等于4.0mm：对于2a ~5a 级别，125°C的烘焙时间范围48小时，或40°C烘焙67或68天。
通过了解IPC-M-109，潮湿敏感性元件标准与指引手册，可避免有关潮湿敏感性的问题。
Robert Rowland, is an SMT Editorial Advisory Board member,
instructor and coauthor of the book Applied Surface Mount Assembly.
He is currently the process engineering manager at RadiSys Corp.
in Hillsboro, Ore., and technical conference director of SMTA
International. He is also an active member of the SMTA and the
Surface Mount Council, and a recipient of the SMTA Founders Award.
Contact him at (503) 615-1354; E-mail: rob.rowland@radisys.com.
(A 12/29/2000)
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