Пластиковые корпуса микросхем впитывают влагу из воздуха, а при пайке оплавлением она может разрушить компонент изнутри. Уровень MSL показывает, сколько времени деталь может пробыть вне сухой упаковки. Объясняем уровни, правила хранения и сушки, а нужные компоненты помогаем поставить по заявке.
Откуда берётся проблема влаги
Корпуса большинства микросхем и многих дискретных компонентов изготавливают из эпоксидного компаунда. Этот материал не герметичен: он медленно впитывает влагу из воздуха, и её количество зависит от влажности и времени. При пайке оплавлением корпус за короткое время нагревается до 230–260 °C. Влага внутри превращается в пар, давление растёт, и компаунд отслаивается от кристалла или рамки выводов. В тяжёлых случаях корпус трескается с характерным щелчком, отсюда жаргонное название «эффект попкорна».
Главная опасность в том, что повреждение часто не видно снаружи. Отслоение внутри корпуса может разорвать соединительные проволоки или создать путь для проникновения влаги и загрязнений. Компонент пройдёт проверку после монтажа, а откажет позже. Обнаружить такие дефекты помогает акустическая микроскопия, но на серийном производстве проще не допустить проблему, соблюдая правила хранения влагочувствительных компонентов.
Стандарты J-STD-020 и J-STD-033
Тему регулируют два совместных стандарта IPC и JEDEC. J-STD-020 описывает классификацию: компоненты выдерживают во влажной камере, затем пропускают через несколько циклов оплавления с заданной пиковой температурой и проверяют на отслоения и электрические параметры. По результатам компоненту присваивают уровень чувствительности к влаге (Moisture Sensitivity Level, MSL). Уровень определяют для конкретного корпуса и технологии сборки, поэтому одна микросхема в разных корпусах может иметь разные уровни. J-STD-033 описывает обращение: упаковку, транспортировку, хранение, допустимое время вне упаковки и режимы сушки.
Уровень MSL всегда относится к определённой пиковой температуре пайки. Один и тот же компонент может иметь уровень 3 при 245 °C и более строгий уровень при 260 °C. Поэтому на этикетке влагозащитной упаковки указывают и уровень, и пиковую температуру классификации. При переходе на бессвинцовую пайку, где профиль горячее, это особенно важно: данные для старого профиля могут не подходить.
Уровни MSL и время вне упаковки
Каждому уровню соответствует допустимое время вне сухой упаковки (floor life) при условиях цеха не более 30 °C и 60 % относительной влажности. Время считается суммарно с момента вскрытия пакета. Для уровня 1 условия мягче: не более 30 °C и 85 % влажности. Если в цехе теплее или влажнее, реальный запас времени сокращается. Уровни по J-STD-020 приведены в списке ниже.
На практике важно, что время вне упаковки идёт круглосуточно. Если катушку компонента уровня 3 вскрыли в понедельник утром, а между сменами она лежала на открытом стеллаже, отведённые 168 часов закончатся через календарную неделю, а не через двадцать одну восьмичасовую смену. Поэтому вскрытые катушки на перерывы убирают в сухой шкаф или запаивают, а время вскрытия фиксируют в журнале или в системе учёта линии. Без такого учёта через несколько дней уже никто не скажет, сколько времени катушка провела на воздухе.
- MSL 1: без ограничения времени;
- MSL 2: 1 год;
- MSL 2a: 4 недели;
- MSL 3: 168 часов;
- MSL 4: 72 часа;
- MSL 5: 48 часов, MSL 5a: 24 часа;
- MSL 6: сушка обязательна перед использованием, время после сушки указано на этикетке.
Какие компоненты чувствительны к влаге
Чаще всего влагочувствительны пластиковые корпуса микросхем для поверхностного монтажа: QFP, QFN, BGA, тонкие SOIC и TSSOP. Высокие уровни MSL встречаются у крупных и тонких корпусов, у корпусов с большим кристаллом. В список часто попадают светодиоды и оптопары в SMD-исполнении, а также модули на основе пластиковых корпусов. Керамические чип-конденсаторы и чип-резисторы, как правило, имеют уровень 1 и особого режима не требуют, но правило стоит проверять для каждой позиции.
Узнать уровень можно в datasheet, в отдельных документах производителя о квалификации и упаковке и на этикетке сухого пакета. Если данные расходятся, ориентируются на этикетку конкретной партии, поскольку производитель мог изменить материалы корпуса. Для выводных компонентов, которые паяют волной, требования MSL обычно не применяют: корпус нагревается меньше, чем при оплавлении. Исключение составляют случаи, когда такие компоненты проходят через печь оплавления по технологии пайки выводных компонентов в пасту.
Сухая упаковка: пакет, осушитель, индикатор
Компоненты уровней 2–6 поставляют в сухой упаковке. Она состоит из влагозащитного пакета (MBB, Moisture Barrier Bag), пакетиков с осушителем и карты индикатора влажности (HIC). Пакет запаивают, часто с откачкой воздуха. Снаружи наклеивают предупреждающую этикетку: на ней указаны уровень MSL, пиковая температура классификации, дата запайки и условия хранения. По J-STD-033 расчётный срок хранения в запаянном пакете составляет не менее 12 месяцев при температуре ниже 40 °C и влажности ниже 90 %.
При вскрытии первым делом смотрят на карту индикатора. Если она показывает превышение порога, указанного на карте или этикетке, компоненты считают набравшими влагу и перед пайкой сушат. Если индикатор в норме, отсчёт времени вне упаковки начинается с момента вскрытия. Неиспользованные компоненты можно снова запаять в пакет со свежим осушителем или поместить в сухой шкаф: стандарт описывает, при каких условиях это приостанавливает отсчёт времени.
Когда и как сушить компоненты
Сушка нужна, если время вне упаковки превышено, индикатор показал повышенную влажность или упаковка была повреждена. Режимы приведены в таблицах J-STD-033 и зависят от уровня MSL и толщины корпуса. Высокотемпературная сушка при 125 °C быстрая, но выдерживают её только термостойкие поддоны. Катушки с лентой и тубы при такой температуре деформируются, поэтому для них используют низкотемпературные режимы, например 40 °C при влажности не более 5 %. Такая сушка занимает дни, а для толстых корпусов и недели.
Сушка не бесплатна для компонента. Длительный нагрев ускоряет окисление выводов и рост интерметаллидных слоёв, что ухудшает паяемость. Поэтому сушить многократно не рекомендуют, а при необходимости сверяются с указаниями производителя. После сушки отсчёт времени вне упаковки начинается заново. Если производитель дал для компонента собственные рекомендации, они имеют приоритет над общими таблицами стандарта.
Практика на производстве и в ремонте
На линии поверхностного монтажа учёт времени вне упаковки ведут для каждой катушки и поддона. В ремонте нагрузка другая, но риск сохраняется: при демонтаже и установке BGA горячим воздухом соседние корпуса тоже прогреваются. Поэтому перед серьёзным ремонтом платы, которая долго лежала на воздухе, её нередко сушат целиком. Сухие шкафы поддерживают относительную влажность на уровне единиц процентов и позволяют держать вскрытые катушки между сменами без повторной запайки. Несколько привычек, которые снижают брак:
- отмечать на этикетке дату и время вскрытия пакета;
- хранить вскрытые влагочувствительные компоненты в сухом шкафу;
- запаивать неиспользованную часть катушки со свежим осушителем и новой картой индикатора;
- проверять уровень MSL и пиковую температуру до запуска профиля пайки;
- не открывать пакет, пока компонент не понадобится.
Заказ влагочувствительных компонентов в ЭПЛ
Уровень MSL и рекомендации по пайке обычно приведены в технической документации, которая есть в карточке товара в каталоге ЭПЛ. Если для производства важна поставка в заводской сухой упаковке и полными катушками, укажите это в заявке, чтобы менеджер учёл условие при подготовке предложения. Импортные позиции мы поставляем под заказ с логистикой и таможенным оформлением, а итоговые стоимость и сроки подтверждаем после заявки.
