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MSD失效的“爆米花”效應(yīng)

金鑒實驗室 ? 2025-10-20 15:29 ? 次閱讀
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在電子制造領(lǐng)域,潮濕敏感器件(MSD)的失效已成為影響產(chǎn)品最終質(zhì)量與長期可靠性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。隨著電子產(chǎn)品不斷向輕薄化、高密度化方向發(fā)展,MSD 在使用與存儲過程中因吸濕導(dǎo)致的界面剝離、裂紋擴展乃至功能失效等問題日益突出,成為導(dǎo)致產(chǎn)品故障的重要因素。

什么是潮濕敏感器件

潮濕敏感器件,簡稱MSD,特指那些對環(huán)境中水分極為敏感的電子元器件,尤其是采用塑料封裝的表面貼裝器件。

為什么塑封集成電路如此普及?是因為其成本更低、重量更輕、尺寸更小,同時還具備良好的機械堅固性。正是這些特點,使塑封器件幾乎壟斷了民用電子產(chǎn)品市場。然而,塑封技術(shù)也存在一個本質(zhì)局限:塑料封裝材料不具備氣密性。這一材料特性導(dǎo)致環(huán)境濕氣能夠持續(xù)滲透至封裝內(nèi)部,從而構(gòu)成了器件在后續(xù)工藝中發(fā)生失效的根本原因。

MSD失效的核心機理:“爆米花”效應(yīng)

MSD失效的過程有一個生動的名稱——“爆米花”效應(yīng)。這個稱呼形象地描繪了失效發(fā)生的動態(tài)過程,就像玉米粒在加熱時內(nèi)部水分汽化導(dǎo)致爆裂一樣。

第一階段:吸潮

當(dāng)MSD暴露在空氣中,大氣中的水分會悄無聲息地通過擴散作用,滲透進(jìn)入封裝材料內(nèi)部。這些水分不會均勻分布,更容易在材料界面處聚集,例如芯片與塑封料相結(jié)合的邊緣。

第二階段:加熱

在回流焊環(huán)節(jié),當(dāng)器件經(jīng)歷高溫時,內(nèi)部積聚的水分受熱后迅速汽化。

第三階段:失效

水汽化后體積急劇膨脹,形成強大的蒸汽壓力。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配,該壓力會在界面處集中釋放,最終引發(fā)封裝分層、內(nèi)部裂紋或鍵合點損傷。嚴(yán)重時,封裝外殼會鼓起甚至破裂。

MSD失效的表現(xiàn)形式

1.內(nèi)部裂紋:

器件芯片內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,如同玻璃內(nèi)部的裂痕,雖未完全破碎但強度已大幅降低

2.電氣故障:

表現(xiàn)為開路、短路或漏電,導(dǎo)致電路功能異常

3.連接失效:

鍵合引線變細(xì)或斷裂,導(dǎo)致電氣連接中斷

4.界面分層:

塑封料從芯片或引腳框架上分離,破壞了原有的結(jié)構(gòu)完整性

5.完全破壞:

封裝材料爆裂,即典型的“爆米花”現(xiàn)象大多數(shù)MSD失效在發(fā)生后,從外觀上難以識別。在測試階段,這類問題未必會立即表現(xiàn)為完全失效。例如,鍵合引線可能僅被拉細(xì),處于未完全斷開狀態(tài),測試時仍能維持電氣連接。直到產(chǎn)品實際使用中,因溫度變化引起材料熱膨脹系數(shù)差異,已受損的連接才會徹底斷裂。這種延遲與隱蔽特性,使MSD失效更具風(fēng)險。

MSL分級體系

為管理這一風(fēng)險,行業(yè)采用濕度敏感等級(MSL)對元器件進(jìn)行分類。根據(jù)廣泛接受的JEDEC標(biāo)準(zhǔn),MSD被分為多個敏感等級:

對于MSL 6級或已超出車間壽命的元件,在使用前必須進(jìn)行烘烤,并在標(biāo)簽規(guī)定的時間內(nèi)完成回流焊接。在對可靠性要求較高的領(lǐng)域,如汽車電子或航空航天,有時會禁止使用MSL 5級及以上的元器件,以從源頭上控制風(fēng)險。在實際生產(chǎn)中,我們可以通過元器件包裝紙盒和防靜電包裝袋上的標(biāo)簽來識別MSL等級,這些標(biāo)識為生產(chǎn)處理提供了明確的指導(dǎo)。

影響MSD失效的因素

1.封裝因素:

封裝體的厚度和體積直接影響水汽滲透的路徑和速度

2.環(huán)境因素:

環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度決定了水分吸收的速率

3.暴露時間:

在空氣中暴露的時間長短累積了潛在風(fēng)險

4.材料特性:

塑封材料的成分和結(jié)構(gòu)決定了其抗潮氣滲透能力

5.器件設(shè)計:

芯片基板尺寸、芯片尺寸及內(nèi)部材料的熱匹配性值得注意的是,隨著環(huán)保要求的提升,無鉛焊接工藝對MSD構(gòu)成了更大挑戰(zhàn)。無鉛焊接的回流焊峰值溫度通常為230°C至245°C,較傳統(tǒng)有鉛焊接高20–30°C,某些應(yīng)用場景下甚至可達(dá)255°C或260°C。這種溫度上升可能使器件的濕度敏感性提高1至2個等級。金鑒實驗室提供電子元器件失效分析的檢測服務(wù),金鑒實驗室擁有專業(yè)LED質(zhì)量工程師團(tuán)隊及高精度電子元器件檢測設(shè)備,具有精湛的技術(shù)與經(jīng)驗。經(jīng)過長時間的嚴(yán)格執(zhí)行,現(xiàn)已得到行業(yè)內(nèi)各廠家一致認(rèn)可。另一個常見但易被忽視的高風(fēng)險場景是手工焊接或維修作業(yè)。若未按要求對已受潮器件進(jìn)行預(yù)烘烤,直接使用熱風(fēng)槍加熱,局部溫度可能超過280°C,極易引起內(nèi)部水汽劇烈膨脹,導(dǎo)致內(nèi)部分層或損壞。通過超聲掃描技術(shù)可檢測器件內(nèi)部狀態(tài):結(jié)構(gòu)完好的器件圖像均勻一致;而已出現(xiàn)分層的器件則在界面處呈現(xiàn)異常信號,通常為失效前兆。

怎么預(yù)防MSD失效

(一)防潮包裝技術(shù)

業(yè)界數(shù)據(jù)表明,在各種應(yīng)力誘發(fā)的器件失效機制中,潮濕敏感失效占據(jù)了10~15%的比例,這一相當(dāng)高的數(shù)字凸顯了防潮包裝的重要性。以下是防潮四大要素:

1. 防潮包裝袋:

采用高阻隔性材料,有效抑制水汽滲透。

2. 干燥劑:

能夠有效保持包裝內(nèi)部低濕度環(huán)境的吸收劑。

3. 濕度指示卡

:直觀顯示包裝內(nèi)的濕度狀況。

4. 潮敏標(biāo)簽:

明確標(biāo)識器件的潮濕敏感等級和注意事項。

(二)

環(huán)境控制措施

1.存儲環(huán)境:

應(yīng)將MSD存放于濕度低于10%RH的干燥箱中。

2.車間環(huán)境:

需控制溫濕度,并確保在規(guī)定的車間壽命內(nèi)完成焊接。

3.暴露時間:

嚴(yán)格記錄從拆封到焊接完成的時間。

(三)

烘烤處理

對于已經(jīng)受潮或超過車間壽命的MSD,烘烤是恢復(fù)其可靠性的“復(fù)活”過程。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),需要根據(jù)器件的潮濕等級和封裝特性,選擇對應(yīng)的烘烤條件。烘烤溫度和時間需要精確控制,不足的烘烤無法徹底去除內(nèi)部潮氣,而過度烘烤則可能損傷器件性能,甚至加速材料老化。

(四)

設(shè)計和工藝預(yù)防措施

1.選用合適等級:

在滿足性能要求的前提下,優(yōu)先選擇MSL等級較低的元器件,從設(shè)計階段規(guī)避風(fēng)險。

2.優(yōu)化布局設(shè)計:

避免將MSD放置在電路板上最容易受熱的位置,減少熱沖擊。

3.工藝控制:

優(yōu)化回流焊溫度曲線,采用適當(dāng)?shù)纳郎厮俾屎皖A(yù)熱策略,減少熱沖擊對器件的傷害。

4.加強手工焊接和維修處理的管控:

建立嚴(yán)格的維修操作規(guī)范,確保維修人員了解并遵守MSD處理要求。

總結(jié)

潮濕敏感器件失效是電子制造中一項隱蔽而關(guān)鍵的問題。隨著電子設(shè)備日趨小型化與高集成化,MSD相關(guān)風(fēng)險仍在增加。通過理解其失效機理、遵循MSL分級體系、實施有效防潮包裝與過程控制,可構(gòu)建多級防護(hù)體系,降低MSD失效概率,提升產(chǎn)品可靠性與使用壽命。

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