PCB設(shè)計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)趨勢所造成的，其中包括對用來支持關(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。這是因為這些元件傾向于封裝在盤帶(tape-and-reel)系統(tǒng)中，每個盤帶具有大數(shù)量的元件。當(dāng)與IC托盤中的引腳元件比較時，關(guān)鍵的問題是對潮濕暴露的時間更長了。

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的暴露時間增加。每一次SMT生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換到一個新產(chǎn)品，多數(shù)已經(jīng)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(guān)鍵的潮濕含量。因此，在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)

MSD的分類、處理、包裝、運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，這是一個美國電子工業(yè)聯(lián)合會(IPC)與焊接電子元件工程委員會(JEDEC)聯(lián)合出版物。該文件在1999年發(fā)行，主要統(tǒng)一和修訂了兩個以前的標(biāo)準(zhǔn)：IPC-SM-786和JEDEC-JESD22-A112(這兩個文件現(xiàn)在都過時了)。新的標(biāo)準(zhǔn)包含許多重要的增補與改動，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，每個元件都必須在一個規(guī)定的時間框架內(nèi)裝配和回流焊接。標(biāo)準(zhǔn)要求每一卷或每一盤MSD的總計累積暴露時間都應(yīng)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(dāng)?shù)牟牧涎a給應(yīng)該有效的減小儲藏、備料、實施期間的暴露時間。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，這一點是基于室內(nèi)環(huán)境條件和烘焙時間。

制造程序綜述

雖然在一個規(guī)定的生產(chǎn)壽命內(nèi)裝配MSD的原則聽起來象是一個直截了當(dāng)?shù)囊?，但是在生產(chǎn)環(huán)境中的實際實施總是有挑戰(zhàn)性的。因為標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)建立一些非常麻煩的系統(tǒng)，消耗許多時間和能量，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，建立可行的簡化的工作程序?？墒牵@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(dǎo)致昂貴元件的浪費。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

與MSD控制有關(guān)的首要問題是拖盤和帶卷的標(biāo)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(biāo)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(dāng)?shù)貥?biāo)識，那么有可能當(dāng)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(rèn)零件編號和有關(guān)的信息，包括潮濕敏感性級別。

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，單個的拖盤都非直接地進行標(biāo)識，用紙或標(biāo)貼放在貨架、機器送料器、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)生的人為錯誤。

應(yīng)當(dāng)肯定，把標(biāo)識標(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)。有時卷盤含有大的開口，對于較大的標(biāo)簽稍微復(fù)雜。一個典型的卷盤應(yīng)該有多個標(biāo)簽，有整個生產(chǎn)和元件分流周期所要求的各種條形碼和可讀數(shù)據(jù)。因為沒有建立標(biāo)識的標(biāo)準(zhǔn)格式，裝配者除了所有其它標(biāo)簽之外有時被迫增加個人標(biāo)簽，這使得處理這類元件變得非常混亂。

因此，當(dāng)卷盤含有MSD時，它們應(yīng)該清楚地標(biāo)識其敏感性級別。盡管如此，甚至但卷盤有適當(dāng)?shù)臉?biāo)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(tǒng)(剛好及時[JIT]/早進早出[FIFO])來保證所有元件都將在所規(guī)定的時間限制內(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非常危險的情況。事實上，大多數(shù)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(chǎn)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(shè)一個卷盤含有850個BGA，一個產(chǎn)品要求每板一個零件。象大多數(shù)PBGA一樣，該零件被分為第四級，生產(chǎn)壽命為72小時。這意味著當(dāng)卷盤裝上貼片機之后，生產(chǎn)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(chǎn)線設(shè)定期間的暴露時間(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)計劃的變化、缺料、停機等情況。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)的暴露時間將會延長，因為同一個卷盤要從貼片機上下多次。當(dāng)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(guī)定的生產(chǎn)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(huán)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(rèn)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(jīng)暴露一定時間(超過一小時)，吸收的潮氣將保留在包裝內(nèi)，向中央界面擴散，可能產(chǎn)生危害。因為這個原因，標(biāo)準(zhǔn)上沒有說要停止暴露時間的計時。

最近的發(fā)現(xiàn)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(chǎn)暴露之前是同樣重要的。從一篇有關(guān)主題的論文1引證的一個例子說明，分類為5級(通常48小時生產(chǎn)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(guān)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(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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對于暴露時間少于8小時的零件在干燥環(huán)境持續(xù)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(chǎn)操作員提供一個可行的工作程序。