PCB設計(jì)中如何處易理(lǐ)潮濕敏感性元件

        涉及塑料集成電(diàn)路(IC)潮濕敏感性的情況漸漸地變得(de)越來(lái)越壞，這是由于許多(duō)工業趨勢所造成的，其中包括對用來(lái)支持關鍵通(tōng)信和(hé)技(jì)術(shù)應用的更高(gāo)可(kě)靠性産品的不斷尋求。單單潮濕敏感性元件(MSD， moisture-sensitive device)的失效率已經是處在一個(gè)不可(kě)忍受的水(shuǐ)平，再加上(shàng)封裝技(jì)術(shù)的不斷變化。更短(duǎn)的開(kāi)發周期、不斷縮小(xiǎo)的尺寸、新的材料和(hé)更大(dà)的芯片正造成MSD數(shù)量的迅速增長和(hé)潮濕/回流敏感性水(shuǐ)平更高(gāo)。最後，諸如BGA、CSP這類面積排列封裝的使用量增長也已經有(yǒu)重大(dà)影(yǐng)響。這是因為(wèi)這些(xiē)元件傾向于封裝在盤帶(tape-and-reel)系統中，每個(gè)盤帶具有(yǒu)大(dà)數(shù)量的元件。當與IC托盤中的引腳元件比較時(shí)，關鍵的問題是對潮濕暴露的時(shí)間(jiān)更長了。 

    發外加工的影(yǐng)響 
    或許最重要的因素是合約制(zhì)造商與大(dà)規模用戶化的不斷增長。在印刷電(diàn)路闆制(zhì)造工業中，這變成了“高(gāo)度混合”的生(shēng)産，批量的減少(shǎo)使得(de)裝配線上(shàng)産品轉換更多(duō)，導緻MSD的暴露時(shí)間(jiān)增加。每一次SMT生(shēng)産線轉換到一個(gè)新産品，多(duō)數(shù)已經裝載在貼裝機器(qì)上(shàng)的元件必須取下來(lái)，造成許多(duō)部分使用的托盤和(hé)盤帶需要暫時(shí)儲存，以後使用。這樣儲存的MSD在回到裝配線和(hé)最後焊接回流工藝之前，很(hěn)可(kě)能超過其關鍵的潮濕含量。因此，在設定和(hé)處理(lǐ)期間(jiān)，必須把暴露時(shí)間(jiān)增加時(shí)間(jiān)到幹燥儲存時(shí)間(jiān)。 

    IPC/JEDEC标準 
    MSD的分類、處理(lǐ)、包裝、運輸和(hé)使用的指引已經在工業标準J-STD-023中有(yǒu)清楚的定義，這是一個(gè)美國電(diàn)子工業聯合會(huì)(IPC)與焊接電(diàn)子元件工程委員會(huì)(JEDEC)聯合出版物。該文件在1999年發行(xíng)，主要統一和(hé)修訂了兩個(gè)以前的标準：IPC-SM-786和(hé)JEDEC-JESD22-A112(這兩個(gè)文件現在都過時(shí)了)。新的标準包含許多(duō)重要的增補與改動，必須遵循以更新現有(yǒu)的制(zhì)造系統和(hé)程序。 
    總而言之，該标準要求MSD适當地分類、标記和(hé)封裝在幹燥的袋子中，直到準備用來(lái)PCB裝配。一旦袋子打開(kāi)，每個(gè)元件都必須在一個(gè)規定的時(shí)間(jiān)框架內(nèi)裝配和(hé)回流焊接。标準要求每一卷或每一盤MSD的總計(jì)累積暴露時(shí)間(jiān)都應該通(tōng)過完整的制(zhì)造工藝進行(xíng)跟蹤，直到所有(yǒu)零件都貼裝。适當的材料補給應該有(yǒu)效的減小(xiǎo)儲藏、備料、實施期間(jiān)的暴露時(shí)間(jiān)。另外，該标準還(hái)提供靈活性，以增加或減少(shǎo)最大(dà)的生(shēng)産壽命，這一點是基于室內(nèi)環境條件和(hé)烘焙時(shí)間(jiān)。 

    制(zhì)造程序綜述 
    雖然在一個(gè)規定的生(shēng)産壽命內(nèi)裝配MSD的原則聽(tīng)起來(lái)象是一個(gè)直截了當的要求，但(dàn)是在生(shēng)産環境中的實際實施總是有(yǒu)挑戰性的。因為(wèi)标準有(yǒu)時(shí)被誤解(并且沒有(yǒu)簡單的按照要求去做(zuò)的方法)，在工廠與工廠的實際制(zhì)造程序之間(jiān)存在很(hěn)大(dà)的差别。例如，還(hái)有(yǒu)公司根本沒有(yǒu)成文的制(zhì)造程序來(lái)跟蹤和(hé)控制(zhì)MSD.相反，有(yǒu)些(xiē)公司已經建立一些(xiē)非常麻煩的系統，消耗許多(duō)時(shí)間(jiān)和(hé)能量，生(shēng)産操作(zuò)員幾乎不可(kě)能跟随。 
    在這些(xiē)極端之間(jiān)，大(dà)多(duō)數(shù)公司都以許多(duō)的假設條件，建立可(kě)行(xíng)的簡化的工作(zuò)程序。可(kě)是，這樣又造成在裝配那(nà)些(xiē)需要烘焙的元件時(shí)也把不需要的給一起烘焙了。第一種情形将影(yǐng)響材料的可(kě)獲得(de)性、可(kě)焊性，和(hé)導緻昂貴元件的浪費。其它情況将影(yǐng)響到最終産品的可(kě)靠性。不幸的是，在許多(duō)組織中，MSD的工作(zuò)程序是許多(duō)年以前建立的，沒有(yǒu)定期修訂。元件、産品混合、材料供給、裝配工藝、設備和(hé)标準的變化都不能反映出來(lái)，因此其有(yǒu)效性大(dà)打折扣。 

    MSD的标識 
    與MSD控制(zhì)有(yǒu)關的首要問題是拖盤和(hé)帶卷的标識，一旦從其保護性幹燥袋中取出後，這些(xiē)有(yǒu)元件的拖盤和(hé)帶卷怎樣标識?如果元件不是在幹燥袋中收到的，或者如果袋子沒有(yǒu)适當地标識，那(nà)麽有(yǒu)可(kě)能當作(zuò)非潮濕敏感元件處理(lǐ)的危險。材料處理(lǐ)員和(hé)操作(zuò)員必須有(yǒu)一種方便可(kě)靠的方法來(lái)确認零件編号和(hé)有(yǒu)關的信息，包括潮濕敏感性級别。 
    MSD的大(dà)多(duō)數(shù)都包裝在符合标準JEDEC/EIAJ外形的塑料IC拖盤內(nèi)。不幸的是，這些(xiē)拖盤沒有(yǒu)可(kě)以貼标簽的表面空(kōng)間(jiān)。在多(duō)數(shù)情況中，單個(gè)的拖盤都非直接地進行(xíng)标識，用紙或标貼放在貨架、機器(qì)送料器(qì)、幹燥室、袋等。所有(yǒu)數(shù)據都必須通(tōng)過不同的步驟從原來(lái)的标簽轉移過來(lái)。那(nà)些(xiē)在SMT生(shēng)産線呆過一定時(shí)間(jiān)的人(rén)都知道(dào)由于跟蹤拖盤包裝的元件所造成的巨大(dà)困難，以及由此産生(shēng)的人(rén)為(wèi)錯誤。 
    應當肯定，把标識标簽放在塑料卷盤上(shàng)是比較容易的。可(kě)是，可(kě)用于标貼的表面相差很(hěn)大(dà)(決定于卷盤的設計(jì))。有(yǒu)時(shí)卷盤含有(yǒu)大(dà)的開(kāi)口，對于較大(dà)的标簽稍微複雜。一個(gè)典型的卷盤應該有(yǒu)多(duō)個(gè)标簽，有(yǒu)整個(gè)生(shēng)産和(hé)元件分流周期所要求的各種條形碼和(hé)可(kě)讀數(shù)據。因為(wèi)沒有(yǒu)建立标識的标準格式，裝配者除了所有(yǒu)其它标簽之外有(yǒu)時(shí)被迫增加個(gè)人(rén)标簽，這使得(de)處理(lǐ)這類元件變得(de)非常混亂。 
    因此，當卷盤含有(yǒu)MSD時(shí)，它們應該清楚地标識其敏感性級别。盡管如此，甚至但(dàn)卷盤有(yǒu)适當的标識時(shí)，這些(xiē)信息在卷盤裝載在送料器(qì)或裝在貼片機的相鄰送料器(qì)時(shí)，可(kě)能變得(de)不可(kě)閱讀。 

    不跟蹤暴露時(shí)間(jiān)的危害 
    或許最壞的情況就是，一些(xiē)裝配制(zhì)造商依靠其材料補給系統(剛好及時(shí)[JIT]/早進早出[FIFO])來(lái)保證所有(yǒu)元件都将在所規定的時(shí)間(jiān)限制(zhì)內(nèi)裝配。這在過去是可(kě)以忍受的，但(dàn)是現在，元件技(jì)術(shù)的不斷變化和(hé)不斷增加的生(shēng)産混合度使得(de)這成為(wèi)一個(gè)非常危險的情況。事實上(shàng)，大(dà)多(duō)數(shù)裝配制(zhì)造商不知道(dào)元件暴露多(duō)長時(shí)間(jiān)和(hé)MSD超過其最大(dà)生(shēng)産壽命有(yǒu)多(duō)頻繁，因為(wèi)這些(xiē)信息沒有(yǒu)跟蹤。 
    實際的危險水(shuǐ)平可(kě)以用一個(gè)實際的例子來(lái)說明(míng)：假設一個(gè)卷盤含有(yǒu)850個(gè)BGA，一個(gè)産品要求每闆一個(gè)零件。象大(dà)多(duō)數(shù)PBGA一樣，該零件被分為(wèi)第四級，生(shēng)産壽命為(wèi)72小(xiǎo)時(shí)。這意味着當卷盤裝上(shàng)貼片機之後，生(shēng)産線的平均運行(xíng)速度必須超過每小(xiǎo)時(shí)12塊闆，一天24小(xiǎo)時(shí)，不能中斷地三個(gè)整天在期限來(lái)到之前将所有(yǒu)元件貼裝完。然後加上(shàng)零件在SMT生(shēng)産線設定期間(jiān)的暴露時(shí)間(jiān)(希望不要有(yǒu)預先将MSD準備在送料器(qì)上(shàng))，和(hé)其它常見的情形，如生(shēng)産計(jì)劃的變化、缺料、停機等情況。最後，在多(duō)數(shù)生(shēng)産環境中，每天有(yǒu)一次以上(shàng)的産品轉換，造成多(duō)次的設定。那(nà)麽有(yǒu)關的暴露時(shí)間(jiān)将會(huì)延長，因為(wèi)同一個(gè)卷盤要從貼片機上(shàng)下多(duō)次。當考慮所有(yǒu)的暴露因素時(shí)，很(hěn)明(míng)顯大(dà)量的MSD在回流焊接之前将超過其規定的生(shēng)産壽命。 

    幹燥儲存 
    通(tōng)常将從貼片機上(shàng)取下的部分拖盤和(hé)卷盤儲存在一個(gè)幹燥環境，直到再次使用。這種儲存必須由一個(gè)幹燥室或有(yǒu)幹燥劑的重新密封的幹燥袋組成。許多(duō)裝配制(zhì)造商認為(wèi)零件處于幹燥儲存時(shí)暴露的時(shí)間(jiān)即終止。事實上(shàng)，一旦零件已經暴露一定時(shí)間(jiān)(超過一小(xiǎo)時(shí))，吸收的潮氣将保留在包裝內(nèi)，向中央界面擴散，可(kě)能産生(shēng)危害。因為(wèi)這個(gè)原因，标準上(shàng)沒有(yǒu)說要停止暴露時(shí)間(jiān)的計(jì)時(shí)。 
    最近的發現清楚地表明(míng)，對于高(gāo)潮濕敏感的元件(級别4-5a)，幹燥儲存的時(shí)間(jiān)與生(shēng)産暴露之前是同樣重要的。從一篇有(yǒu)關主題的論文1引證的一個(gè)例子說明(míng)，分類為(wèi)5級(通(tōng)常48小(xiǎo)時(shí)生(shēng)産壽命)的PLCC在隻暴露16小(xiǎo)時(shí)之後接着幹燥儲存70小(xiǎo)時(shí)實際上(shàng)仍然超過關鍵的潮濕水(shuǐ)平。不管怎樣，将元件放入幹燥儲存還(hái)是一個(gè)好方法。越幹燥的環境将減慢潮氣吸收的過程，如果零件留在幹燥環境足夠的時(shí)間(jiān)，過程将反過來(lái)，零件将開(kāi)始重新幹燥。還(hái)有(yǒu)，如果暴露時(shí)間(jiān)有(yǒu)限，夾帶的潮氣将在相對短(duǎn)的時(shí)間(jiān)裏去掉。IPC/JEDEC标準規定對于暴露時(shí)間(jiān)少(shǎo)于8小(xiǎo)時(shí)的零件在幹燥環境持續5倍的時(shí)間(jiān)，可(kě)以将暴露時(shí)間(jiān)重置為(wèi)零。再一次，真正的問題是要給生(shēng)産操作(zuò)員提供一個(gè)可(kě)行(xíng)的工作(zuò)程序。 

    備料剛好的數(shù)量 
    利用最短(duǎn)暴露時(shí)間(jiān)的原則，一些(xiē)裝配制(zhì)造商已經采用少(shǎo)量發放MSD的方法，準備的數(shù)量剛好夠八小(xiǎo)時(shí)裝配的。如果任何零件在該限定之前還(hái)有(yǒu)，通(tōng)過充分的幹燥儲存時(shí)間(jiān)還(hái)可(kě)以将零件帶回幹燥條件。這樣涉及詳細的數(shù)量計(jì)算(suàn)包括每個(gè)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，盤帶必須剪切适當的長度。後者要求較困難的分切操作(zuò)，以增加送料器(qì)所要求的導引帶，而且要将所有(yǒu)的元件信息從原來(lái)的包裝轉移到新的拖盤/卷盤。 
    這種操作(zuò)将造成高(gāo)度的機械或ESD損壞的危險性，對品質、合格率和(hé)成本産生(shēng)壞的影(yǐng)響。另外，關鍵的是監測零件不要超過所規定的八小(xiǎo)時(shí)，并且在重新發放給生(shēng)産之前花(huā)五倍以上(shàng)的時(shí)間(jiān)進行(xíng)幹燥。 

    每一件東西都進行(xíng)烘焙 
    另一種辦法是有(yǒu)系統地烘焙所有(yǒu)生(shēng)産後留下的部分使用的拖盤和(hé)卷盤。這是一個(gè)較簡單的管理(lǐ)程序，但(dàn)是它可(kě)能産生(shēng)比它實際防禦更多(duō)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标準中增加很(hěn)多(duō)。對于包裝在高(gāo)溫拖盤內(nèi)的零件，現在的周期125°C 48小(xiǎo)時(shí)。在卷盤和(hé)低(dī)溫脫盤上(shàng)的元件必須以40°C烘焙68天。在大(dà)部分公司，這樣做(zuò)簡直是不可(kě)能的。标準規定除非另行(xíng)表明(míng)，烘焙周期在完成的元件上(shàng)是可(kě)允許的。如果需要不止一個(gè)烘杯周期，應該咨詢供應商。 

    手工記錄時(shí)間(jiān) 
    在許多(duō)公司，MSD程序要求生(shēng)産操作(zuò)員手工地記錄零件從其保護性幹燥袋中最初取出的日期和(hé)時(shí)間(jiān)。因為(wèi)多(duō)數(shù)MSD都是包裝在JEDEC/EIAJ的拖盤或卷盤內(nèi)，暴露時(shí)間(jiān)記錄表(對于在卷盤上(shàng)的)可(kě)以包括在一個(gè)标貼內(nèi)。在拖盤的情況中，沒有(yǒu)辦法将處理(lǐ)數(shù)據直接附在容器(qì)上(shàng)。由于這些(xiē)限制(zhì)，很(hěn)難維持元件與起各自記錄表之間(jiān)的聯系，因為(wèi)拖盤和(hé)卷盤從貼片機、幹燥室裝上(shàng)拆下。 
    除了記錄表實際的物理(lǐ)格式外，它所包含的動态變化的數(shù)據産生(shēng)進一步的困難。信息必須包括零件編号和(hé)敏感性水(shuǐ)平，因為(wèi)這些(xiē)數(shù)據在包裝袋打開(kāi)和(hé)扔掉之後就失去了。為(wèi)了跟蹤暴露時(shí)間(jiān)，記錄表必須包括至少(shǎo)一列來(lái)記錄當包裝袋最初打開(kāi)時(shí)的日期與時(shí)間(jiān)。為(wèi)了是該程序計(jì)入幹燥儲存所花(huā)的時(shí)間(jiān)，記錄表還(hái)必須包括記錄材料進入和(hé)移出幹燥室或幹燥袋的日期與時(shí)間(jiān)(可(kě)能多(duō)次)。 
    有(yǒu)關這類手工記錄的最大(dà)困難是，基于日期與時(shí)間(jiān)的計(jì)算(suàn)不是簡單的代數(shù)運算(suàn)。甚至是訓練有(yǒu)素的人(rén)都要花(huā)大(dà)量的時(shí)間(jiān)與精力，而且還(hái)誘發人(rén)為(wèi)的錯誤。在這個(gè)事情上(shàng)消耗的時(shí)間(jiān)也對設頂時(shí)間(jiān)和(hé)機器(qì)/生(shēng)産線的利用率有(yǒu)直接的影(yǐng)響。 

    送料器(qì)與貼片機的檢驗 
    在材料運動期間(jiān)的時(shí)間(jiān)記錄程序是一個(gè)好的開(kāi)始;可(kě)是，在裝載在貼片機上(shàng)時(shí)它幾乎不能提供任何可(kě)見的零件現狀。這一點為(wèi)什麽重要呢?可(kě)能是個(gè)别元件最終将超過起最長的暴露時(shí)間(jiān)，因為(wèi)這是他們花(huā)時(shí)間(jiān)最長的地方。 
    幹燥控制(zhì)的部分測量可(kě)以通(tōng)過定期檢驗來(lái)達到。檢驗頻率很(hěn)大(dà)程度上(shàng)決定于敏感性級别和(hé)産品轉換和(hé)有(yǒu)關送料器(qì)設置的次數(shù)。事實上(shàng)，它意味着生(shēng)産操作(zuò)員必須基于前面的記錄進行(xíng)額外的日期與時(shí)間(jiān)的計(jì)算(suàn)，并最終在過期之前将元件從貼片機上(shàng)取下。 
    由于缺乏可(kě)見性，裝在機器(qì)、送料器(qì)承放架上(shàng)的MSD可(kě)能會(huì)暴露更長的時(shí)間(jiān)。對于有(yǒu)固定送料器(qì)設置和(hé)未用完的拖盤與卷盤不從機器(qì)取下的生(shēng)産線，應該非常小(xiǎo)心。 
    除了這些(xiē)關注之外，還(hái)有(yǒu)與有(yǒu)關工藝相聯系的其它困難。包括烘焙、重新密封在幹燥袋中、重新貼标簽、修理(lǐ)與返工、設備編程、重新裝帶、雙面回流、室內(nèi)條件下降、等。 
    有(yǒu)許多(duō)大(dà)的障礙阻止裝配制(zhì)造商适當地控制(zhì)對MSD的損害。在許多(duō)情況中，有(yǒu)足夠的成文的程序，但(dàn)是馬上(shàng)變成人(rén)為(wèi)的不可(kě)遵循。這會(huì)造成大(dà)量不能接受的缺陷。PCB裝配運作(zuò)應該在最新的IPC/JEDEC标準上(shàng)重新評估其MSD工作(zuò)程序。雖然對潮濕危害的控制(zhì)和(hé)靜電(diàn)損害一樣重要，但(dàn)是它沒有(yǒu)得(de)到同樣的注意。人(rén)們要求新的系統與方法來(lái)提供對生(shēng)産環境中這類問題的可(kě)行(xíng)的和(hé)可(kě)靠的解決方案。