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IPC-M-109与电子工业潮湿敏感元件防护要求

卡特曼环境科技研究中心

一,潮湿对电子元器件造成的危害     

        当电子元器件朝着小型化和廉价化方向发展,塑料封装就成为了一项标准做法。但潮湿气体会透过封装材料及元器件的接合面进入到器件的内部,一方面造成内部电路氧化腐蚀短路,另一方面当SMD器件吸湿度率达到0.1wt%时,在电子元器件组装焊接过程中的高温会使进入IC内部的潮湿气体受热膨胀产生足够的压力,使塑料从芯片或引脚框上的内部分离(脱层)、线捆接损伤、芯片损伤、和不会延伸到元件表面的内部裂纹等。甚至裂纹会延伸到元件的表面,最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂,又称为“爆米花”,这将导致返修甚至要废弃该组装件。更为重要的是那些看不见的、潜在的缺陷会溶入到产品中去。

        非IC类电子元器件也会受到潮湿的危害。如印刷电路板吸湿度率达到0.2wt%时,也会导致裂纹和分层;继电器的触点受潮氧化,导致接触不良;硅晶体氧化;其它诸如陶瓷器件、液晶器件、石英器件、光电器件、红外与激光器件、连接线、接插件等等,都会受到潮湿的危害。

        潮湿对电子元器件的危害,已成为一项非常严峻的事情,随着潮湿敏感性元件使用的增加,诸如薄的密间距元件(fine-pitch device)和球栅阵列(BGA, ball grid array),这个问题就越严重。

二,关于IPC-M-109标准

        为确保潮湿气体不进入器件中,美国电子工业联合会(IPC)和电子元件焊接工程协会(JEDEC)之间共同研究制定和发布了 IPC-M-109, 潮湿敏感性元件标准和指引手册。`
        IPC-M-109统一和修订了两个以前的标准:IPC-SM-786 和JEDEC-JESD-22-A112(这两个文件现在都过时了)。新的标准包含有许多重要的增补与改动。

        IPC-M-109包括以下七个文件,其中关于潮湿敏感元件防护的文件有:
(1),IPC/JEDEC J-STD-020 塑料集成电路(IC)SMD的潮湿/回流敏感性分类
该文件的作用是帮助制造厂商确定元器件对潮湿的敏感性,并列出了八种潮湿分级和车间寿命(floor life)。

潮湿敏感水平

SMD防湿包装拆开后暴露的环境

车间寿命

1

暴露于小于或等于30°C/85% RH      

没有任何车间寿命

2

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

一年车间寿命

2a

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

四周车间寿命

3

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

168小时车间寿命

4

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

72小时车间寿命

5

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

42小时车间寿命

5a

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

24小时车间寿命

6

暴露于小于或等于30°C/60% RH         

72小时车间寿命


(对于6级,元件使用之前必须经过烘焙,并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流。)


        增重(weight-gain)分析用来确定确定一个估计的车间寿命,而失重(weight-loss)分析用来确定需要用来去掉过多元件潮湿的干燥时间

(2),IPC/JEDEC J-STD-033 潮湿/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用标准
        该文件提供处理、包装、装运和干燥潮湿敏感性元件的推荐方法。
        干燥包装涉及将潮湿敏感性元件与去湿剂、湿度指示卡和潮湿敏感注意标贴一起密封在防潮袋内。标贴含有有关特定温度与湿度范围内的货架寿命、包装体的峰值温度(220°C或235°C)、开袋之后的暴露时间、关于何时要求烘焙的详细情况、烘焙程序、以及袋的密封日期。

       潮湿敏感水平为1 级的,装袋之前干燥是可选的,装袋与去湿剂是可选的、标贴是不要求的,除非元件分类到235°C的回流温度。
   潮湿敏感水平为2 级的,装袋之前干燥是可选的,装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。
   潮湿敏感水平为2a ~ 5a 级的,装袋之前干燥是要求的,装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。
   潮湿敏感水平为6 级的。装袋之前干燥是可选的,装袋与去湿剂是可选的、标贴是要求的。

IPC的干燥包装之前的预烘焙推荐是:
          包装厚度小于或等于1.4mm:对于2a-5a 级别,125°C的烘焙时间范围8~28小时,或150°C烘焙4-14小时。
          包装厚度小于或等于2.0mm:对于2a-5a 级别,125°C的烘焙时间范围23-48小时,或150°C烘焙11-24小时。
          包装厚度小于或等于4.0mm:对于2a-5a 级别,125°C的烘焙时间范围48小时,或150°C烘焙24小时。
           IPC的车间寿命过期之后的后烘焙推荐是:
          包装厚度小于或等于1.4mm:对于2a ~5a 级别,125°C的烘焙时间范围4~14小时,或40°C烘焙5~9天。
          包装厚度小于或等于2.0mm:对于2a ~5a 级别,125°C的烘焙时间范围18~48小时,或40°C烘焙21~68天。
          包装厚度小于或等于4.0mm:对于2a ~5a 级别,125°C的烘焙时间范围48小时,或40°C烘焙67或68天。

元件干燥使用常温干燥箱去湿或烘焙两种方法之一。
   
        烘焙去湿:
        烘焙比比较复杂。基于潮湿敏感水平级别不同和包装厚度的不同,有一些干燥包装前的预焙的推荐方法。但指出烘焙温度可能造成引脚氧化或引起过多的金属间增生(intermetallic growth)从而降低引脚的可焊接性。并不要将元件存储在烘焙温度下的炉子内。

        常温干燥箱去湿:
        对于潮湿敏感水平为2-4级的防湿包装拆开后的SMD,如暴露在小于或等于30°C/60% RH环境下,将其放入湿度为5%RH的常温干燥箱中,经过暴露时间 X 5倍的除湿保管时间,可以恢复原来的车间寿命。
        对于潮湿敏感水平为5-5a级的防湿包装拆开后的SMD,如暴露在小于或等于30°C/60% RH环境下,将其放入湿度为10%RH的常温干燥箱中,经过暴露时间 X 10倍的除湿保管时间,可以恢复原来的车间寿命

(3),IPC-9503 非IC元件的潮湿敏感性分类
        该文件的作用是帮助制造厂商确定非IC元件的电子元器件对潮湿的敏感性和防护要求。 

三,结论
   
        IPC-M-109为电子制造厂商潮湿对电子元器件的危害问题提供了标准和方法。

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