PCB設計中的潮濕敏感性元件怎樣來處置

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，這是由于許多工業趨勢所造成的，其中包括對用來支持關鍵通信和技術應用的更高可靠性產品的不斷尋求。單單潮濕敏感性元件（MSD， moisture-sensitive device）的失效率已經是處在一個不可忍受的水平，再加上封裝技術的不斷變化。更短的開發周期、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有重大影響。這是因為這些元件傾向于封裝在盤帶（tape-and-reel）系統中，每個盤帶具有大數量的元件。當與IC托盤中的引腳元件比較時，關鍵的問題是對潮濕暴露的時間更長了。

發外加工的影響

或許最重要的因素是合約制造商與大規模用戶化的不斷增長。在印刷電路板制造工業中，這變成了“高度混合”的生產，批量的減少使得裝配線上產品轉換更多，導致MSD的暴露時間增加。每一次SMT生產線轉換到一個新產品，多數已經裝載在貼裝機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儲存，以后使用。這樣儲存的MSD在回到裝配線和最后焊接回流工藝之前，很可能超過其關鍵的潮濕含量。因此，在設定和處理期間，必須把暴露時間增加時間到干燥儲存時間。

IPC/JEDEC標準

MSD的分類、處理、包裝、運輸和使用的指引已經在工業標準J-STD-023中有清楚的定義，這是一個美國電子工業聯合會（IPC）與焊接電子元件工程委員會（JEDEC）聯合出版物。該文件在1999年發行，主要統一和修訂了兩個以前的標準：IPC-SM-786和JEDEC-JESD22-A112（這兩個文件現在都過時了）。新的標準包含許多重要的增補與改動，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、標記和封裝在干燥的袋子中，直到準備用來PCB裝配。一旦袋子打開，每個元件都必須在一個規定的時間框架內裝配和回流焊接。標準要求每一卷或每一盤MSD的總計累積暴露時間都應該通過完整的制造工藝進行跟蹤，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、實施期間的暴露時間。另外，該標準還提供靈活性，以增加或減少最大的生產壽命，這一點是基于室內環境條件和烘焙時間。

制造程序綜述

雖然在一個規定的生產壽命內裝配MSD的原則聽起來象是一個直截了當的要求，但是在生產環境中的實際實施總是有挑戰性的。因為標準有時被誤解（并且沒有簡單的按照要求去做的方法），在工廠與工廠的實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，有些公司已經建立一些非常麻煩的系統，消耗許多時間和能量，生產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，因此其有效性大打折扣。

MSD的標識

與MSD控制有關的首要問題是拖盤和帶卷的標識，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確認零件編號和有關的信息，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拖盤內。不幸的是，這些拖盤沒有可以貼標簽的表面空間。在多數情況中，單個的拖盤都非直接地進行標識，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不同的步驟從原來的標簽轉移過來。那些在SMT生產線呆過一定時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，以及由此產生的人為錯誤。

應當肯定，把標識標簽放在塑料卷盤上是比較容易的?？墒?，可用于標貼的表面相差很大（決定于卷盤的設計）。有時卷盤含有大的開口，對于較大的標簽稍微復雜。一個典型的卷盤應該有多個標簽，有整個生產和元件分流周期所要求的各種條形碼和可讀數據。因為沒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被迫增加個人標簽，這使得處理這類元件變得非?；靵y。

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

不跟蹤暴露時間的危害

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［JIT］/早進早出［FIFO］）來保證所有元件都將在所規定的時間限制內裝配。這在過去是可以忍受的，但是現在，元件技術的不斷變化和不斷增加的生產混合度使得這成為一個非常危險的情況。事實上，大多數裝配制造商不知道元件暴露多長時間和MSD超過其最大生產壽命有多頻繁，因為這些信息沒有跟蹤。

實際的危險水平可以用一個實際的例子來說明：假設一個卷盤含有850個BGA，一個產品要求每板一個零件。象大多數PBGA一樣，該零件被分為第四級，生產壽命為72小時。這意味著當卷盤裝上貼片機之后，生產線的平均運行速度必須超過每小時12塊板，一天24小時，不能中斷地三個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生產線設定期間的暴露時間（希望不要有預先將MSD準備在送料器上），和其它常見的情形，如生產計劃的變化、缺料、停機等情況。最后，在多數生產環境中，每天有一次以上的產品轉換，造成多次的設定。那么有關的暴露時間將會延長，因為同一個卷盤要從貼片機上下多次。當考慮所有的暴露因素時，很明顯大量的MSD在回流焊接之前將超過其規定的生產壽命。

干燥儲存

通常將從貼片機上取下的部分拖盤和卷盤儲存在一個干燥環境，直到再次使用。這種儲存必須由一個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暴露的時間即終止。事實上，一旦零件已經暴露一定時間（超過一小時），吸收的潮氣將保留在包裝內，向中央界面擴散，可能產生危害。因為這個原因，標準上沒有說要停止暴露時間的計時。

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

備料剛好的數量

利用最短暴露時間的原則，一些裝配制造商已經采用少量發放MSD的方法，準備的數量剛好夠八小時裝配的。如果任何零件在該限定之前還有，通過充分的干燥儲存時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MSD的報廢因素。昂貴而易損的IC必須手工地從塑料拖盤中移進移出。另外，盤帶必須剪切適當的長度。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的包裝轉移到新的拖盤/卷盤。

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

每一件東西都進行烘焙

另一種辦法是有系統地烘焙所有生產后留下的部分使用的拖盤和卷盤。這是一個較簡單的管理程序，但是它可能產生比它實際防御更多的問題。重要的是要注意，烘鋇的缺省條件已經在最新的IPC/JEDEC標準中增加很多。對于包裝在高溫拖盤內的零件，現在的周期125°C 48小時。在卷盤和低溫脫盤上的元件必須以40°C烘焙68天。在大部分公司，這樣做簡直是不可能的。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。如果需要不止一個烘杯周期，應該咨詢供應商。

手工記錄時間

在許多公司，MSD程序要求生產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間。因為多數MSD都是包裝在JEDEC/EIAJ的拖盤或卷盤內，暴露時間記錄表（對于在卷盤上的）可以包括在一個標貼內。在拖盤的情況中，沒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系，因為拖盤和卷盤從貼片機、干燥室裝上拆下。

除了記錄表實際的物理格式外，它所包含的動態變化的數據產生進一步的困難。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和扔掉之后就失去了。為了跟蹤暴露時間，記錄表必須包括至少一列來記錄當包裝袋最初打開時的日期與時間。為了是該程序計入干燥儲存所花的時間，記錄表還必須包括記錄材料進入和移出干燥室或干燥袋的日期與時間（可能多次）。

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

送料器與貼片機的檢驗

在材料運動期間的時間記錄程序是一個好的開始；可是，在裝載在貼片機上時它幾乎不能提供任何可見的零件現狀。這一點為什么重要呢？可能是個別元件最終將超過起最長的暴露時間，因為這是他們花時間最長的地方。

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

由于缺乏可見性，裝在機器、送料器承放架上的MSD可能會暴露更長的時間。對于有固定送料器設置和未用完的拖盤與卷盤不從機器取下的生產線，應該非常小心。

除了這些關注之外，還有與有關工藝相聯系的其它困難。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，但是它沒有得到同樣的注意。人們要求新的系統與方法來提供對生產環境中這類問題的可行的和可靠的解決方案。

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