導語：如同人體內濕氣過重會阻滯氣機、引發(fā)各種不適與疾病，半導體世界中的潮濕敏感器件（MSD）也同樣懼怕“濕邪”，引發(fā)所謂的“爆米花”效應，造成不可逆的損壞。
一、什么是MSD失效
1.1 潮濕敏感器件
潮濕敏感器件（Moisture Sensitive Devices）簡稱MSD，是指“對環(huán)境中水分極其敏感的電子元器件“，尤其是指那些采用塑料封裝表面貼裝工藝的器件。塑封集成電路因其成本低、質量輕、尺寸小及良好的機械堅固性等優(yōu)點，幾乎占據了民用電子產品的全部市場。但塑封器件有個固有的弱點——塑料封裝具有非氣密性，潮濕氣體能夠滲透進入封裝材料內部。
MSD失效的核心機理可以形象地稱為 "爆米花"效應 。這個過程是這樣的：
1）吸潮階段：MSD暴露在空氣中時，大氣中的水分會通過擴散滲透到封裝材料內部，凝聚在不同材料之間的接觸面上。
2）加熱階段：當器件在回流焊爐中經歷高溫時，封裝內的水分快速汽化。
3）失效階段：蒸汽壓力大幅增加，在材料不匹配的綜合作用下，該壓力會造成封裝材料內部發(fā)生分層、內部裂縫或鍵合損傷，最嚴重的是導致封裝體產生裂紋。
就像爆米花在加熱過程中內部水分汽化導致爆裂一樣，MSD在回流焊過程中也會發(fā)生類似現象，因此得名"爆米花"效應。
1.3 MSD失效的表現形式
MSD失效多種多樣，主要包括：
內部裂紋：器件芯片（chip) 產生裂紋
電氣故障：開路、短路、漏電
連接失效：鍵合引線被拉細甚至斷裂
界面分層：塑封從芯片或引腳框上分離
完全破壞：封裝材料爆裂（"爆米花"現象）
圖1 常見的MSD失效表現
大多數情況下，這些變化可能從外觀上無法察覺，而且在產品測試過程中MSD也可能不會表現為完全失效（比如鍵合引線被拉細乃至藕斷絲連），而是在芯片上電使用過程中由于溫度變化以及CTE（材料的熱膨脹系數）不同而徹底開路。這使得MSD失效更加隱蔽和危險。
二. 元器件MSL分級為了科學管理MSD的風險，業(yè)界制定了濕度敏感等級（MSL） 標準，將元器件對潮濕的敏感程度分為不同等級。
2.1 MSL分級標準
根據JEDEC標準，MSD分為以下等級
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敏感等級(MSL)
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車間壽命要求(Floor Life)
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環(huán)境條件
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1
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無限制
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≤30℃/85%RH
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2
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1年
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≤30℃/60%RH
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2a
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4周
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≤30℃/60%RH
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3
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168小時
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≤30℃/60%RH
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4
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72小時
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≤30℃/60%RH
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5
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48小時
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≤30℃/60%RH
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5a
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24小時
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≤30℃/60%RH
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6
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使用前必須烘烤
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≤30℃/60%RH
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對于6級或已超出車間壽命的元件，使用前必須經過烘烤，并在警告標簽規(guī)定的時間限定內完成回流焊接。在某些可靠性體系管控嚴格的企業(yè)甚至規(guī)定MSL5級及以上的元器件禁止被選用。
圖2 元器件包裝紙盒和防靜電包裝袋標簽上MSL標識
2.2 影響
MSD失效的因素潮濕敏感元器件的失效受多種因素影響：
封裝因素：封裝體厚度和封裝體體積
環(huán)境因素：環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度
暴露時間：在空氣中暴露的時間長
短材料特性：塑封材料的成分和結構
器件設計：芯片基板尺寸、芯片尺寸及內部材料
值得注意的是，無鉛焊接工藝對MSD提出了更高要求。無鉛合金的回流焊峰值溫度通?？刂圃?230℃到 245℃。在一些極端工況下，特殊無鉛焊接最高峰值溫度能達到 255℃甚至 260℃ ，這可能使MSD的濕度敏感性至少升高1或2個等級。
另一個不被關注但引起MSD失效概率極高的場景就是：手工焊接或返工維修維修人員未按 MSD 管控要求（如提前烘干），直接對受潮的器件用熱風槍加熱（局部溫度可達 280℃以上），高溫加速潮氣膨脹，導致器件內部分層。
圖3 超聲掃描對比器件內部左圖-良好； 右圖-分層（紅色部位）
三. 如何預防MSD失效？
預防MSD失效需要從包裝、存儲、操作和使用等多個環(huán)節(jié)采取綜合措施。
3.1 防潮包裝技術
MSD的防潮包裝有多重要？根據業(yè)界數據，在各種應力誘發(fā)的器件失效機制中，潮濕敏感失效占10～15%，這是一個相當高的比例。
標準的MSD防潮包裝應包括：
1）防潮包裝袋（MBB）：要求具有抑制潮氣滲透能力，通常需要滿足MIL-PRF-81705標準。
2）干燥劑：能夠保持相對低濕度的吸收劑，用于控制包裝內部濕度。
3）濕度指示卡（HIC）：用于直觀顯示包裝內的濕度狀況。
4）潮敏標簽：明確標識器件的潮濕敏感等級和注意事項。
3.2 環(huán)境控制措施
控制環(huán)境溫濕度是預防MSD失效的關鍵：
存儲環(huán)境：MSD應在干燥環(huán)境中存儲，理想條件是濕度<10%RH的干燥箱內。
車間環(huán)境：需要控制生產環(huán)境的溫濕度，不同等級的MSD有不同的車間壽命要求。
暴露時間：嚴格控制MSD從包裝中取出到回流焊接完成的時間。
3.3 烘烤處理
對于已經受潮或超過車間壽命的MSD，烘烤是恢復其可靠性的關鍵步驟：
烘烤條件：根據器件特點和潮濕程度，選擇適當的溫度和時間進行烘烤。
參考J-STD-033D 標準，根據器件的潮濕等級和封裝特性，選擇對應的烘烤條件：
注意事項：烘烤溫度和時間需要精確控制，過度烘烤可能損傷器件。
3.4 設計和工藝預防措施
從產品設計角度，也可以采取一些措施來降低MSD失效風險：
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。
優(yōu)化布局設計：避免將MSD放置在容易受熱的位置。
工藝控制：優(yōu)化回流焊溫度曲線，減少熱沖擊。
加強手工焊接和維修處理的管控。
四、總結
潮濕敏感器件的失效是電子制造業(yè)中一個隱蔽卻重要的問題。隨著電子設備向小型化、高集成度方向發(fā)展，MSD失效的風險也在增加。通過了解MSD失效的"爆米花"機理、認識MSL分級體系、實施科學的防潮包裝和嚴格的過程控制，能夠有效降低MSD失效的風險，提高電子產品的可靠性和使用壽命。
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