PCB設(shè)計(jì)中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越壞，這是由于許多工業(yè)趨勢(shì)所造成的，其中包括對(duì)用來支持關(guān)鍵通信和技術(shù)應(yīng)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)不可忍受的水平，再加上封裝技術(shù)的不斷變化。更短的開發(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(shù)量的迅速增長和潮濕/回流敏感性水平更高。最后，諸如BGA、CSP這類面積排列封裝的使用量增長也已經(jīng)有重大影響。這是因?yàn)檫@些元件傾向于封裝在盤帶(tape-and-reel)系統(tǒng)中，每個(gè)盤帶具有大數(shù)量的元件。當(dāng)與IC托盤中的引腳元件比較時(shí)，關(guān)鍵的問題是對(duì)潮濕暴露的時(shí)間更長了。

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(guī)模用戶化的不斷增長。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上產(chǎn)品轉(zhuǎn)換更多，導(dǎo)致MSD的暴露時(shí)間增加。每一次SMT生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換到一個(gè)新產(chǎn)品，多數(shù)已經(jīng)裝載在貼裝機(jī)器上的元件必須取下來，造成許多部分使用的托盤和盤帶需要暫時(shí)儲(chǔ)存，以后使用。這樣儲(chǔ)存的MSD在回到裝配線和最后焊接回流工藝之前，很可能超過其關(guān)鍵的潮濕含量。因此，在設(shè)定和處理期間，必須把暴露時(shí)間增加時(shí)間到干燥儲(chǔ)存時(shí)間。

IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)

MSD的分類、處理、包裝、運(yùn)輸和使用的指引已經(jīng)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)一和修訂了兩個(gè)以前的標(biāo)準(zhǔn)：IPC-SM-786和JEDEC-JESD22-A112(這兩個(gè)文件現(xiàn)在都過時(shí)了)。新的標(biāo)準(zhǔn)包含許多重要的增補(bǔ)與改動(dòng)，必須遵循以更新現(xiàn)有的制造系統(tǒng)和程序。

總而言之，該標(biāo)準(zhǔn)要求MSD適當(dāng)?shù)胤诸?、?biāo)記和封裝在干燥的袋子中，直到準(zhǔn)備用來PCB裝配。一旦袋子打開，每個(gè)元件都必須在一個(gè)規(guī)定的時(shí)間框架內(nèi)裝配和回流焊接。標(biāo)準(zhǔn)要求每一卷或每一盤MSD的總計(jì)累積暴露時(shí)間都應(yīng)該通過完整的制造工藝進(jìn)行跟蹤，直到所有零件都貼裝。適當(dāng)?shù)牟牧涎a(bǔ)給應(yīng)該有效的減小儲(chǔ)藏、備料、實(shí)施期間的暴露時(shí)間。另外，該標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)環(huán)境條件和烘焙時(shí)間。

制造程序綜述

雖然在一個(gè)規(guī)定的生產(chǎn)壽命內(nèi)裝配MSD的原則聽起來象是一個(gè)直截了當(dāng)?shù)囊?，但是在生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)際實(shí)施總是有挑戰(zhàn)性的。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)有時(shí)被誤解(并且沒有簡(jiǎn)單的按照要求去做的方法)，在工廠與工廠的實(shí)際制造程序之間存在很大的差別。例如，還有公司根本沒有成文的制造程序來跟蹤和控制MSD.相反，有些公司已經(jīng)建立一些非常麻煩的系統(tǒng)，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(shù)公司都以許多的假設(shè)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(dǎo)致昂貴元件的浪費(fèi)。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，沒有定期修訂。元件、產(chǎn)品混合、材料供給、裝配工藝、設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的變化都不能反映出來，因此其有效性大打折扣。

MSD的標(biāo)識(shí)

與MSD控制有關(guān)的首要問題是拖盤和帶卷的標(biāo)識(shí)，一旦從其保護(hù)性干燥袋中取出后，這些有元件的拖盤和帶卷怎樣標(biāo)識(shí)?如果元件不是在干燥袋中收到的，或者如果袋子沒有適當(dāng)?shù)貥?biāo)識(shí)，那么有可能當(dāng)作非潮濕敏感元件處理的危險(xiǎn)。材料處理員和操作員必須有一種方便可靠的方法來確認(rèn)零件編號(hào)和有關(guān)的信息，包括潮濕敏感性級(jí)別。

MSD的大多數(shù)都包裝在符合標(biāo)準(zhǔn)JEDEC/EIAJ外形的塑料IC拖盤內(nèi)。不幸的是，這些拖盤沒有可以貼標(biāo)簽的表面空間。在多數(shù)情況中，單個(gè)的拖盤都非直接地進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用紙或標(biāo)貼放在貨架、機(jī)器送料器、干燥室、袋等。所有數(shù)據(jù)都必須通過不同的步驟從原來的標(biāo)簽轉(zhuǎn)移過來。那些在SMT生產(chǎn)線呆過一定時(shí)間的人都知道由于跟蹤拖盤包裝的元件所造成的巨大困難，以及由此產(chǎn)生的人為錯(cuò)誤。

應(yīng)當(dāng)肯定，把標(biāo)識(shí)標(biāo)簽放在塑料卷盤上是比較容易的?？墒?，可用于標(biāo)貼的表面相差很大(決定于卷盤的設(shè)計(jì))。有時(shí)卷盤含有大的開口，對(duì)于較大的標(biāo)簽稍微復(fù)雜。一個(gè)典型的卷盤應(yīng)該有多個(gè)標(biāo)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(shù)據(jù)。因?yàn)闆]有建立標(biāo)識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)格式，裝配者除了所有其它標(biāo)簽之外有時(shí)被迫增加個(gè)人標(biāo)簽，這使得處理這類元件變得非?；靵y。

因此，當(dāng)卷盤含有MSD時(shí)，它們應(yīng)該清楚地標(biāo)識(shí)其敏感性級(jí)別。盡管如此，甚至但卷盤有適當(dāng)?shù)臉?biāo)識(shí)時(shí)，這些信息在卷盤裝載在送料器或裝在貼片機(jī)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(bǔ)給系統(tǒng)(剛好及時(shí)[JIT]/早進(jìn)早出[FIFO])來保證所有元件都將在所規(guī)定的時(shí)間限制內(nèi)裝配。這在過去是可以忍受的，但是現(xiàn)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(xiǎn)的情況。事實(shí)上，大多數(shù)裝配制造商不知道元件暴露多長時(shí)間和MSD超過其最大生產(chǎn)壽命有多頻繁，因?yàn)檫@些信息沒有跟蹤。

實(shí)際的危險(xiǎn)水平可以用一個(gè)實(shí)際的例子來說明：假設(shè)一個(gè)卷盤含有850個(gè)BGA，一個(gè)產(chǎn)品要求每板一個(gè)零件。象大多數(shù)PBGA一樣，該零件被分為第四級(jí)，生產(chǎn)壽命為72小時(shí)。這意味著當(dāng)卷盤裝上貼片機(jī)之后，生產(chǎn)線的平均運(yùn)行速度必須超過每小時(shí)12塊板，一天24小時(shí)，不能中斷地三個(gè)整天在期限來到之前將所有元件貼裝完。然后加上零件在SMT生產(chǎn)線設(shè)定期間的暴露時(shí)間(希望不要有預(yù)先將MSD準(zhǔn)備在送料器上)，和其它常見的情形，如生產(chǎn)計(jì)劃的變化、缺料、停機(jī)等情況。最后，在多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境中，每天有一次以上的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換，造成多次的設(shè)定。那么有關(guān)的暴露時(shí)間將會(huì)延長，因?yàn)橥粋€(gè)卷盤要從貼片機(jī)上下多次。當(dāng)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其規(guī)定的生產(chǎn)壽命。

干燥儲(chǔ)存

通常將從貼片機(jī)上取下的部分拖盤和卷盤儲(chǔ)存在一個(gè)干燥環(huán)境，直到再次使用。這種儲(chǔ)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(rèn)為零件處于干燥儲(chǔ)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(超過一小時(shí))，吸收的潮氣將保留在包裝內(nèi)，向中央界面擴(kuò)散，可能產(chǎn)生危害。因?yàn)檫@個(gè)原因，標(biāo)準(zhǔn)上沒有說要停止暴露時(shí)間的計(jì)時(shí)。

最近的發(fā)現(xiàn)清楚地表明，對(duì)于高潮濕敏感的元件(級(jí)別4-5a)，干燥儲(chǔ)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)例子說明，分類為5級(jí)(通常48小時(shí)生產(chǎn)壽命)的PLCC在只暴露16小時(shí)之后接著干燥儲(chǔ)存70小時(shí)實(shí)際上仍然超過關(guān)鍵的潮濕水平。不管怎樣，將元件放入干燥儲(chǔ)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程，如果零件留在干燥環(huán)境足夠的時(shí)間，過程將反過來，零件將開始重新干燥。還有，如果暴露時(shí)間有限，夾帶的潮氣將在相對(duì)短的時(shí)間里去掉。IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于暴露時(shí)間少于8小時(shí)的零件在干燥環(huán)境持續(xù)5倍的時(shí)間，可以將暴露時(shí)間重置為零。再一次，真正的問題是要給生產(chǎn)操作員提供一個(gè)可行的工作程序。