Чувствительность электронных компонентов к влажности

Введение

Цель данной статьи – описать характер воздействия влажности на SMT-компоненты в пластиковых и прочих поглощающих влагу корпусах, дать представление об их классификации по уровню чувствительности к влажности, хранению, упаковке и маркировке в соответствии с мировыми стандартами, а также рассмотреть общепринятые рекомендации по подготовке ЭК, подвергшихся воздействию влажности, к пайке оплавлением.

Поддержание целостности корпуса ЭК в течение всего технологического процесса сборки требует принятия ряда специфических мер как поставщиком ЭК, так и компанией-производителем электронных модулей. Эти меры направлены на снижение последствий теплового воздействия на ЭК в процессе их групповой пайки оплавлением. Пластиковые пресс-композиции, применяемые для корпусирования ИС, гигроскопичны и впитывают влагу (рис. 1а). Накопленная влага испаряется в процессе интенсивного нагрева при пайке оплавлением, что вызывает сильное внутреннее давление на различные узлы корпуса, приводящее затем к вздутию, расслоению и, в некоторых случаях, растрескиванию пластикового корпуса ЭК. Трещины могут распространяться как в толще корпуса, так и вдоль выводной рамки (отслоение). Через них к поверхности кристалла ИС могут проникать ионные загрязняющие вещества, вызывающие коррозию и, соответственно, увеличивающие вероятность отказа компонента. Компоненты, внешне не обнаруживающие признаков растрескивания, могут иметь трещины и отслоения внутри корпуса, что влияет как на выход годных изделий, так и на их надежность.

Следует отметить, что чувствительность ЭК к влажности имеет смысл принимать во внимание только при непосредственном температурном воздействии на них, возникающем при пайке оплавлением (конвекционной, инфракрасной или в паровой фазе) и некоторых видах ремонта собранных узлов (с применением горячего «воздушного фена»). Целостность корпусов ЭК не будет нарушена, если они устанавливаются в разъемы. То же самое относится к THT-компонентам, не подвергающимся воздействию среды печи оплавления (т.е. паяемым волной или ручными методами, когда нагрев избирательно прикладывается к выводам ЭК). В случае пайки THT-ЭК волной, их естественной защитой от нагрева служит ПП. Как правило, корпуса ЭК на таких операциях поглощают гораздо меньше тепловой энергии, чем при пайке оплавлением или ремонте, и в предварительных процедурах по устранению из них влаги нет необходимости. SMT-компоненты в герметичных корпусах нечувствительны к действию влаги и не требуют специальных процедур при обращении с ними. Не принимаются во внимание также техпроцессы, предусматривающие погружение корпуса в расплавленный припой (например, пайка волной SMT-компонентов, расположенных на нижней стороне ПП). Однако, в случае, когда THT-компоненты подвергаются воздействию нагретой среды, к ним должны быть применены все процедуры по удалению влаги, предусмотренные для SMT-компонентов.

Механизм воздействия влаги на ЭК

Процесс накопления корпусами ЭК влаги, а также ее критический уровень, который может привести к повреждениям и отказам, зависят от различных свойств материала и конструкции корпуса, среди которых можно выделить следующие:

• форма и размеры полупроводникового кристалла;
• материал и технология крепления кристалла к корпусу;
• размер корпуса;
• количество выводов корпуса;
• толщина слоя герметизирующего материала;
• предел текучести герметизирующего материала;
• показатели диффузии влаги в герметизирующий материал;
• силы адгезии материалов корпуса;
• ТКР материалов корпуса.

а)

б)

в)

Рис. 1. Механизм образования трещин в пластиковом корпусе: а) накопление корпусом влаги; б) испарение влаги в процессе нагрева; в) образование трещины в корпусе. Рисунок из [6]

Основные причины проникновения влаги внутрь пластикового корпуса ЭК связаны с различными процессами расслоения материалов, включая отделение проволочных соединений корпуса от КП, уменьшение площади поперечного сечения проволочных соединений (утонение), отслоение кристалла от площадки для монтажа и растрескивание тонких пленок на его поверхности, эффект образования «кратеров» в местах крепления проволочных выводов к КП и пр. Степень насыщения корпуса влагой определяется относительной влажностью воздуха, температурой и временем его хранения, а также равновесной растворимостью влаги в материале корпуса – пластике. Появление видимых трещин на поверхности корпуса обычно рассматривается как наиболее наглядное и серьезное последствие накопления влаги. Тем не менее, необходимо помнить, что даже при отсутствии видимых повреждений корпуса, внутри него могут происходить процессы растрескивания/отслоения материалов.

Механизм образования трещин в корпусе представлен на рис. 1. Суммарное воздействие давления водяного пара и термического расширения пластика при нагреве превосходит силу адгезии пластика к площадке для монтажа кристалла. Пластик отслаивается от площадки, образуется полость, заполненная паром, она расширяется, и на корпусе образуется характерное вздутие (рис. 1б). Далее в корпусе появляется трещина, вздутие схлопывается, и пар выходит из полости наружу (рис. 1в). Данный процесс часто называют «эффектом попкорна» за характерный звук, раздающийся при схлопывании полости.Оставшийся объем полости является концентратором напряжений, ведущих к дальнейшему разрастанию трещины при последующих температурных циклах.

Дополнительные причины отказов ЭК

Быстрый нагрев и охлаждение вызывают термический шок ЭК. Различие температур между поверхностью корпуса, где она выше, и его внутренностью вызывает в корпусе термомеханические напряжения. Степень термического шока выше при пайке в паровой фазе, чем при конвекционной и инфракрасной. Профиль оплавления для ИК-пайки обычно предусматривает нагрев ЭК со скоростью 2 – 6°С/сек., для конвекционной – менее 2°С/сек. В процессе пайки в паровой фазе возможно обеспечить только ограниченный контроль скорости нагрева ЭК и ПП. Максимальная скорость нагрева в процессе такой пайки гораздо выше (до 25°С/сек.) Такая быстрая скорость подъема температуры может вызвать повреждение ЭК вследствие разницы в ТКР различных материалов корпуса. Эта проблема еще более усиливается в случае накопления ЭК избыточной влаги.

Флюсы, входящие в состав паяльных паст, являются главными поставщиками ионных загрязнений, которые могут привести к коррозии слоя металлизации кристалла ИС в случае транспортировки загрязнений к поверхности кристалла. Следует избегать флюсов, содержащих соляную кислоту и другие галоидные соединения, а также высокоактивных флюсов, (на основе органических кислот). Где возможно, следует использовать RMA-флюсы и флюсы с низкой активностью (NC и пр.)

Основываясь на рекомендациях [6], ЭК с медными выводами, покрытыми сплавом олово-свинец, необходимо выдерживать при 125°С не более 48 часов, чтобы выводы не потеряли гарантию пайки вследствие окисления и/или роста интерметаллических соединений. Согласно стандарту [2], суммарное время сушки при температурах 90 – 125°С не должно превышать 96 часов. Сушка при температурах выше 125°С недопустима без консультации с поставщиком ЭК.

С целью недопущения обрыва выводов и разрушения паяных соединений внутри корпуса, при проведении ультразвуковой очистки собранных узлов необходимо придерживаться следующих режимов: диапазон частот ультразвука – от 39 до 66 кГц; время очистки – 3 мин. на цикл для 5 циклов очистки, суммарное время не должно быть больше 15 мин [6].

Необходимое оборудование

Для проведения тестов на принадлежность ЭК к тому или иному уровню чувствительности к влажности необходима камера для климатических испытаний с возможностью обеспечения следующих режимов температуры/относительной влажности воздуха: 85°C/85%, 85°C/60%, 60°C/60%, 30°C/60% при колебаниях ± 2°C/± 3%, а также конвекционная печь для проведения тестовой пайки оплавлением.

Для хранения ЭК, предварительной сушки ЭК перед упаковкой в защитный пакет либо окончательной сушки перед пайкой оплавлением требуется шкаф сухого хранения, а также вентилируемая печь с режимами нагрева до 125°C, 90°C и 40°C +5/-0 °C.

Уровни чувствительности ЭК к влажности

По уровню чувствительности к влажности (Moisture Sensitivity Level, MSL) ЭК подразделяются на 6 уровней согласно стандарту [1]. Процедура определения принадлежности ЭК к определенному уровню включает в себя следующие этапы:

• начальная инспекция образцов ЭК на предмет наличия трещин/отслоений (визуальная и с применением акустического микроскопа);
• предварительная сушка ЭК в течение 24 часов при температуре 125 +5/-0°C для получения полностью «сухого» состояния корпусов;
• помещение ЭК в сухой, чистый, неглубокий контейнер и сушка их в климатической камере согласно режимам, приведенным в таблица 1 для данного уровня MSL (начиная с 1-го);
• проведение для ЭК после сушки в климатической камере (не ранее, чем через 15 мин. и не позднее, чем через 4 часа после вынимания их из нее), троекратных циклов пайки оплавления по стандартному профилю, указанному в [1] (выдержка между циклами – минимум 5 и максимум 60 мин.);
• окончательная инспекция ЭК на предмет внешних трещин (оптический микроскоп с увеличением 40x), проведение электрических тестов согласно спецификациям производителей ЭК, анализ внутренних дефектов с помощью сканирующего акустического микроскопа.

Критерии отказов ЭК при этом следующие:

1. Видимая с помощью оптического микроскопа с увеличением 40x трещина.
2. Отказ по результатам электрических тестов.
3. Внутренняя трещина, пересекающая проволочное, шариковое либо сварное соединение.
4. Внутренняя трещина, распространяющаяся от вывода к любому другому внутреннему элементу корпуса (выводу, кристаллу, площадке для монтажа кристалла).
5. Внутренняя трещина, распространяющаяся на более чем 2/3 расстояния от любого внутреннего элемента корпуса до внешней его границы.
6. Изменения плоскостности корпуса, вызванные деформацией, короблением, вспучиванием, видимые невооруженным глазом.

Если отказал хотя бы один из тестируемых образцов, ЭК считается не прошедшим тест на данном уровне MSL, и исследуется новая группа образцов при режимах, соответствующих следующему уровню чувствительности ЭК к влажности.

Также существует ряд критериев отказа, основанных на качественной и количественной оценке расслоения различных материалов корпуса (в процентах разницы между состояниями после предварительной сушки и после оплавления), различающиеся в зависимости от конструкции корпуса [1]. Тем не менее, если ЭК успешно прошел электрические тесты, но наблюдается отслоение материала на обратной стороне площадки для монтажа кристалла, элементе-распределителе теплоты, обратной стороне кристалла, но при этом нет внешних признаков наличия трещин и других расслоений, и корпус удовлетворяет требованиям п. 6, он считается прошедшим тест на данный уровень MSL. Для оценки влияния расслоения на надежность ЭК могут потребоваться исследования согласно [4], а также методикам производителя ЭК.

Таблица 1. Уровни чувствительности ЭК к влажности (MSL) по стандарту IPC/JEDEC J-STD-020C

Уровень MSL	Безопасное время после вскрытия защитного пакета («floor life»)		Режимы выдержки ЭК для накопления влаги
			Стандартный		Эквивалентный ускоренный
	Время	Условия хранения	Время1(часы)	Режимы	Время1(часы)	Режимы
1	Неограниченно	≤30°C/85%	168 +5/-0	85°C/85%	-	-
2	1 год	≤30°C/60%	168 +5/-0	85°C/60%	-	-
2a	4 недели	≤30°C/60%	696 +5/-0	30°C/60%	120 +1/-0	60°C/60%
3	168 часов	≤30°C/60%	192 +5/-0	30°C/60%	40 +1/-0	60°C/60%
4	72 часа	≤30°C/60%	96 +2/-0	30°C/60%	20 +0,5/-0	60°C/60%
5	48 часов	≤30°C/60%	72 +2/-0	30°C/60%	15 +0,5/-0	60°C/60%
5a	24 часа	≤30°C/60%	48 +2/-0	30°C/60%	10 +0.5/-0	60°C/60%
6	Время указано на наклейке (Time on Label, TOL)	≤30°C/60%	Время указано на наклейке	30°C/60%	-	-

_______
¹ Стандартные времена выдержки по умолчанию включают в себя 24 часа пребывания ЭК без защиты от влажности, между сушкой на предприятии-производителе ЭК и упаковкой в защитный пакет (т.н. manufacturer’s exposure time, MET), а также максимальное время пребывания вне защитной упаковки у дистрибьютора.

Эквивалентный ускоренный режим не следует использовать до тех пор, пока для характеристик повреждений, включая электрические, не установлена зависимость между ним и стандартными условиями выдержки, а также, если энергия активации для диффузии составляет 0,4 – 0,48 эВ.

Если реальное время MET для уровней чувствительности 2а – 5а меньше 24 часов, время выдержки может быть уменьшено: на разницу между 24 часами и реальным временем MET при 30°C/60%, и на 1 час на каждые 5 часов разницы между 24 часами и реальным временем MET при 60°C/60%.

Если реальное время MET для уровней чувствительности 2а – 5а больше 24 часов, время выдержки должно быть увеличено: на разницу между реальным временем MET и 24 часами при 30°C/60%, и на 1 час на каждые 5 часов разницы между реальным временем MET и 24 часами при 60°C/60%.

Требования к упаковке ЭК перед поставкой

Защитная упаковка ЭК обеспечивается дистрибьютором и, как правило, требует наличия следующих материалов:

• упакованных ЭК в трубчатых кассетах, бобинах с лентой, матричных поддонах;
• влагопоглотителя;
• специального пакета с защитой от влажности;
• наклеек, предупреждающих о наличии чувствительного к влажности содержимого;
• карточки-индикатора влажности.

ЭК поставляются от дистрибьютора в т.н. «сухих» упаковках (dry pack), которые представляют собой герметично закрытый пакет с защитой от влажности (Moisture Barrier Bag, MBB, рис. 2) с находящимися внутри носителями с ЭК, влагопоглотителем и карточкой-индикатором влажности (Humidity Indicator Card, HIC). Основными требованиями к защитному пакету (стандарт MIL-PRF-81705, Тип I) являются гибкость, защита от статического электричества, механическая прочность, стойкость к проколам, возможность термосклеивания. Скорость проникновения водяных паров должна быть Ј0,002 гЧм/100 кв.дюймов за 24 часа при 40°С. При запечатывании пакета посредством термосклеивания допускается небольшое снижение внутреннего давления воздуха.

Рис. 2. Состав пакета с защитой от влажности. (Рисунок JEDEC)

Влагопоглотитель (стандарт MIL-D-3464, Тип II) должен быть некоррозионным, не образовывать пыли, быть упакованным во влагопроницаемый пакетик и обладать требуемыми абсорбирующими свойствами. Количество влагопоглотителя должно обеспечивать внутри упаковки с ЭК относительную влажность менее 10% при 25°С. Формулы для расчета необходимого количества влагопоглотителя приведены в [2].

Карточка-индикатор влажности, как правило, представляет собой карточку из впитывающей влагу бумаги, снабженную тремя цветными кружками – индикаторами уровней относительной влажности в 5, 10 и 60%. Внешний вид карточки представлен на рис. 3. Об уровне влажности судят по изменению цветов соответствующих кружков согласно таблице 2. Могут быть использованы другие цветовые схемы. Карточка сохраняет достоверность показаний в закрытом пакете до 5 лет.

Рис. 3. Внешний вид карточки-индикатора влажности. (Рисунок JEDEC)

Таблица 2. Расшифровка показаний карточки-индикатора влажности по стандарту IPC/JEDEC J-STD-033B.1

Кружок	Цвет кружков при относительной влажности воздуха
	2%	5%	10%	55%	60%	65%
5%	Голубой (сухо)	Меняется на сиреневый при влажности ≥7%	Розовый (влажно)	Розовый (влажно)	Розовый (влажно)	Розовый (влажно)
10%	Голубой (сухо)	Голубой (сухо)	Меняется на сиреневый при влажности ≥10%	Розовый (влажно)	Розовый (влажно)	Розовый (влажно)
60%	Голубой (сухо)	Голубой (сухо)	Голубой (сухо)	Голубой (сухо)	Меняется на сиреневый при влажности ≥10%	Розовый (влажно)

 Избыточная влажность, о которой сигнализирует карточка, может являться следствием неправильной комплектации защитного пакета (например, отсутствующий либо неправильно подобранный влагопоглотитель), неправильного обращения, приведшего к проколам или разрывам пакета, а также хранением в неподходящих условиях. В стандартах описаны следующие варианты индикации:

1. Если все три кружка показывают «сухо», ЭК уровней MSL 2 – 5а сухие в достаточной степени.
2. Если кружок 5% показывает «влажно», 10% НЕ показывает «сухо», а 60% показывает «сухо», ЭК уровня MSL 2 сухие в достаточной степени, ЭК уровней MSL 2а – 5а накопили избыточное количество влаги и требуют сушки.
3. Если все три кружка показывают «влажно», ЭК уровня MSL 2 накопили избыточное количество влаги и требуют сушки.

Если перед запечатыванием пакета кружок 60% показывает «влажно», карточка должна быть забракована.

Рис. 4. Наклейка-идентификатор чувствительного к влажности содержимого на защитный пакет. (Рисунок JEDEC)

На защитный пакет наносятся, как правило, две характерные наклейки: идентификатор чувствительного к влажности содержимого (Moisture-Sensitive Identification Label, MSID, рис. 4) и предупреждающая наклейка (Caution Label, рис. 5), выполненные согласно стандарту EIA/JEDEC JEP113-B [3].

Наклейка для ЭК уровня MSL 1 носит информационный характер (рис. 5а), сообщает об уровне MSL = 1 (квадрат с подписью «level»), отсутствии чувствительности данных ЭК к влажности при соблюдении условий хранения ≤30°C/85% и максимальной температуре корпуса при оплавлении не более 235°C. Наносится на транспортную тару низшего уровня в случае, если температура оплавления ЭК отличается от 220–225°C.

а)

б)

в)