MSD失效的“爆米花”效应

于 2025-10-20 15:26:31 发布 62 阅读 0 评论

在电子制造领域,潮湿敏感器件(MSD)的失效已成为影响产品最终质量与长期可靠性的关键挑战之一。随着电子产品不断向轻薄化、高密度化方向发展,MSD 在使用与存储过程中因吸湿导致的界面剥离、裂纹扩展乃至功能失效等问题日益突出,成为导致产品故障的重要因素。

什么是潮湿敏感器件


潮湿敏感器件,简称MSD,特指那些对环境中水分极为敏感的电子元器件,尤其是采用塑料封装的表面贴装器件。


为什么塑封集成电路如此普及?是因为其成本更低、重量更轻、尺寸更小,同时还具备良好的机械坚固性。正是这些特点,使塑封器件几乎垄断了民用电子产品市场。


MSD失效的核心机理:“爆米花”效应


MSD失效的过程有一个生动的名称——“爆米花”效应。这个称呼形象地描绘了失效发生的动态过程,就像玉米粒在加热时内部水分汽化导致爆裂一样。

第一阶段:吸潮


当MSD暴露在空气中,大气中的水分会悄无声息地通过扩散作用,渗透进入封装材料内部。这些水分不会均匀分布,更容易在材料界面处聚集,例如芯片与塑封料相结合的边缘。


第二阶段:加热


在回流焊环节,当器件经历高温时,内部积聚的水分受热后迅速汽化。


第三阶段:失效


水汽化后体积急剧膨胀,形成强大的蒸汽压力。由于不同材料的热膨胀系数不匹配,该压力会在界面处集中释放,最终引发封装分层、内部裂纹或键合点损伤。严重时,封装外壳会鼓起甚至破裂。


MSD失效的表现形式


1.内部裂纹:器件芯片内部产生微裂纹,如同玻璃内部的裂痕,虽未完全破碎但强度已大幅降低


2.电气故障:表现为开路、短路或漏电,导致电路功能异常


3.连接失效:键合引线变细或断裂,导致电气连接中断


4.界面分层:塑封料从芯片或引脚框架上分离,破坏了原有的结构完整性


5.完全破坏:封装材料爆裂,即典型的“爆米花”现象


大多数MSD失效在发生后,从外观上难以识别。在测试阶段,这类问题未必会立即表现为完全失效。例如,键合引线可能仅被拉细,处于未完全断开状态,测试时仍能维持电气连接。直到产品实际使用中,因温度变化引起材料热膨胀系数差异,已受损的连接才会彻底断裂。这种延迟与隐蔽特性,使MSD失效更具风险。


MSL分级体系


为管理这一风险,行业采用湿度敏感等级(MSL)对元器件进行分类。根据广泛接受的JEDEC标准,MSD被分为多个敏感等级:

对于MSL 6级或已超出车间寿命的元件,在使用前必须进行烘烤,并在标签规定的时间内完成回流焊接。在对可靠性要求较高的领域,如汽车电子或航空航天,有时会禁止使用MSL 5级及以上的元器件,以从源头上控制风险。


在实际生产中,我们可以通过元器件包装纸盒和防静电包装袋上的标签来识别MSL等级,这些标识为生产处理提供了明确的指导。


影响MSD失效的因素


1.封装因素:封装体的厚度和体积直接影响水汽渗透的路径和速度
2.环境因素:环境温度和环境相对湿度决定了水分吸收的速率
3.暴露时间:在空气中暴露的时间长短累积了潜在风险
4.材料特性:塑封材料的成分和结构决定了其抗潮气渗透能力
5.器件设计:芯片基板尺寸、芯片尺寸及内部材料的热匹配性
值得注意的是,随着环保要求的提升,无铅焊接工艺对MSD构成了更大挑战。无铅焊接的回流焊峰值温度通常为230°C至245°C,较传统有铅焊接高20–30°C,某些应用场景下甚至可达255°C或260°C。这种温度上升可能使器件的湿度敏感性提高1至2个等级。
另一个常见但易被忽视的高风险场景是手工焊接或维修作业。若未按要求对已受潮器件进行预烘烤,直接使用热风枪加热,局部温度可能超过280°C,极易引起内部水汽剧烈膨胀,导致内部分层或损坏。
通过超声扫描技术可检测器件内部状态:结构完好的器件图像均匀一致;而已出现分层的器件则在界面处呈现异常信号,通常为失效前兆。

怎么预防MSD失效


(一)防潮包装技术


业界数据表明,在各种应力诱发的器件失效机制中,潮湿敏感失效占据了10~15%的比例,这一相当高的数字凸显了防潮包装的重要性。以下是防潮四大要素:


1. 防潮包装袋:采用高阻隔性材料,有效抑制水汽渗透。
2. 干燥剂:能够有效保持包装内部低湿度环境的吸收剂。
3. 湿度指示卡:直观显示包装内的湿度状况。

4. 潮敏标签:明确标识器件的潮湿敏感等级和注意事项。


(二)环境控制措施


1.存储环境:应将MSD存放于湿度低于10%RH的干燥箱中。
2.车间环境:需控制温湿度,并确保在规定的车间寿命内完成焊接。

3.暴露时间:严格记录从拆封到焊接完成的时间。


(三)烘烤处理


对于已经受潮或超过车间寿命的MSD,烘烤是恢复其可靠性的“复活”过程。

根据行业标准,需要根据器件的潮湿等级和封装特性,选择对应的烘烤条件。烘烤温度和时间需要精确控制,不足的烘烤无法彻底去除内部潮气,而过度烘烤则可能损伤器件性能,甚至加速材料老化。


(四)设计和工艺预防措施


1.选用合适等级:在满足性能要求的前提下,优先选择MSL等级较低的元器件,从设计阶段规避风险。
2.优化布局设计:避免将MSD放置在电路板上最容易受热的位置,减少热冲击。
3.工艺控制:优化回流焊温度曲线,采用适当的升温速率和预热策略,减少热冲击对器件的伤害。

4.加强手工焊接和维修处理的管控:建立严格的维修操作规范,确保维修人员了解并遵守MSD处理要求。


总结


潮湿敏感器件失效是电子制造中一项隐蔽而关键的问题。随着电子设备日趋小型化与高集成化,MSD相关风险仍在增加。通过理解其失效机理、遵循MSL分级体系、实施有效防潮包装与过程控制,可构建多级防护体系,降低MSD失效概率,提升产品可靠性与使用寿命。

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