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電子產業中攸關產品品質的重要關鍵:微量濕氣以及 IPC/JEDEC J-STD-033 規範資料

這邊先以電子業作一個專例說明:

環境中的微量濕氣對電子業的長晶/切晶/磊晶/IC電路設計/IC TAB/IC封測/IC與電路板 SMT組裝/電路板壓合……各種消費性及專業性電子零件、成品、家電、儀器儀錶、設備...均造成不可忽視的問題。有些已經正視,正用正確的除濕技術(V.S. 打N2氮氣/Dry Air、抽真空、放乾燥劑、用除濕機、開空調、使用錯誤/造假的微電腦防潮箱...)解決中,大多數工程師則從沒想到所有問題是『濕氣』搞的鬼!!!

『微量濕氣』會影響電子產品的成品與半成品良率、可靠度的相關資訊已非秘密,並且這並不是一個難以控制的變數和因子,而且他也已經有官方機構提供了一個只要遵守、參考,就可以有效的提升整個產品品質,讓生產管理、品質管理有漂亮的數字,客戶滿意度當然也就拉高了,而這個關鍵辦法卻不是以『改善製造、生產流程』或是『尋找更好的原料、元件』和『高檔專業的生產設備、品檢設備』就可以達到。

事實上,所有企業都有微量濕氣(源於相對濕度%RH、露點、含水量)的問題要解決!!

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大量(微量)的濕氣短期(長期)吸付在企業(傳統及科技製造業/技術研發業/各種服務業)
關鍵物料/半成品/精密儀器設備/重要檔案及典藏文物...

會產生許多問題,輕則導致損耗,效率降低、成本/費用增加,
重則導致研發失效、不良率高、可靠度差的嚴重競爭力問題。  傳統製造業/科技產業 的 關鍵物料/半成品 重要資訊

電子業上中下游的微量濕氣問題說明與解決 RD/Lab/工廠低濕及超低濕管理必備

在此,介紹一個美國的電子工業規範組織:

IPC/JEDEC J-STD-033 規範說明

IPC 國際電子工業聯接協會(Association Connecting Electronics Industries)官方網址點這

IPC 國際電子工業聯接協會(Association Connecting Electronics Industries)

針對電子產業中『焊接流程』、『材料』、『濕敏元件』等會因為微量濕氣影響品質、良率、可靠度…等等提出規範來強化產業界這部份需求,首先簡單的介紹一下這個組織單位。

IPC是電子電路組裝、製造的北美組織,我們平時說的J-STD-XXX, 都是IPC的標准,可以說是這產業參考標准,大部分OEM, ODM, 和EMS公司的電子組裝制造,也是參照IPC這個標准。 另外,除美洲市場之外,其他地區也有類似的標準規範如:
JIS是日本JSA(Japanese Standards Association)的規範標准。
IEC(International Electro technical Commission)是歐盟的標准。
很多總部在日本或是歐洲的電子制造商,都會參考這兩個組織的規範作為標准。

其中呢,有幾個規範特別與『微量濕氣』有關鍵的參考價值:

IPC-J-STD-005內容主要為:焊膏的要求
規定了進行高質量電子互連所用的焊膏的特性描述和測試的一般要求,本規範是一個質量控制文件,無意直接關聯制造工藝中材料的性能。

IPC J-STD-020D內容主要為:
非氣密封裝固態表面貼裝器件濕度/回流焊敏感度分類

本標准用于確定最初的可靠性鑒定應該采用的分類級別。這些元器件必須得到正確的包裝、儲存及運輸以避免接下來在回流焊時受到熱損傷及機械損傷。

IPC J-STD-033B 內容主要為:
對濕度、回流焊敏感的表面貼裝器件的處置、包裝、發送及使用方法

本標准是針對表面貼裝器件制造商及用戶關于對濕度 、回流焊敏感的 表面貼裝器件 的處置、包裝、發運及使用的方法。這些方法可幫助企業避免對濕度、回流焊敏感的表面貼裝器件受到濕氣與暴光的損傷。使用這些方法,能做到回流焊接時器件安全而無損傷。方法如:幹燥的包裝過程、使用密封的幹燥包裝使得器件從密封之日起能有至少12個月的保存期限。

其中這兩個部分:
IPC/JEDEC J-STD-020D 塑料集成電路(IC)SMD的潮濕/回流敏感性分類
IPC/JEDEC J-STD-033B 潮濕/回流敏感性SMD的處理、包裝、裝運和使用標准

尤其關鍵和重要!

IPC上海公司甚至還特別為這兩個部分規範單獨開課詳細說明,其中談到項目有以下這些重點:

History of Moisture Sensitivity 潮濕敏感度的歷史
Cause & Effect of Moisture/Reflow 濕氣/回流的起因和結果
Moisture Absorption/Desorption 濕氣吸收和解除
Moisture Sensitivity Level Classification 潮濕敏感度級別
Desiccant Properties and Use 乾燥物質以及使用
Dry Packing of Moisture Sensitive Components 濕度敏感元件的乾燥包裝
Using Moisture Sensitive Components濕度敏感元件的使用
Rework 返工
Future Issues未來的挑戰
參考資料請見這

IPC/JEDEC J-STD-020D 這份規範:
定義了潮濕敏感性元件,目的是就那些對微量濕氣所影響敏感的非密封型固態表面黏著元件(surface mount devices, SMD),說明有哪些敏感度等級,讓它們可以被適當地封裝、存放與處理,避免在迴焊黏著和修理工作進行期間受到損傷。
當封裝暴露在迴焊的高溫時,非密封型封裝內的蒸汽壓力會大幅增加。
在特定狀況下,這個壓力會造成封裝材料發生內部剝離而脫離晶片或導線架、基板,或是發生未擴及封裝外面的內部裂縫、或是黏著損傷、金屬線窄化、接合翹起、晶片翹起、薄膜裂縫,或接合下方發生凹口。
以最嚴重的狀況來說,這個應力會造成封裝發生外部裂縫。這個被共稱為『爆米花現象』,因為這個內部應力會造成封裝膨脹、突起,然後『』一聲破裂。SMD比通孔元件更容易發生這個現象,因為他們在迴焊時暴露在更高的溫度中。原因在於銲接作業一定要發生在與SMD元件同一面的板面上。對於通孔元件,銲接作業發生在板的下面,因而將元件遮蔽隔離了高熱的銲料。

電子產品的失效,有60%-70%是元器件失效造成的。而元器件失效中,有30%左右是元器件潮濕敏感問題引起的。J-STD-020D對每一個電子產品生產廠(公司)識別元器件潮濕敏感度,減少潮濕敏感控制不當造成電子產品損壞有很好的分類方式與建議的回流溫度曲線計算方式。

下面列出了八種濕度分級和車間壽命(floor life)。

下面列出了八種濕度分級和車間壽命(floor life)

濕氣/迴焊敏感等級的重要需注意項目:

如果一個元件為等級1,則該元件將被歸類為『對濕氣不敏感』,且無需防濕包裝限制。
如果一個元件不是歸類為等級1,則該元件將被歸類為『對濕氣敏感』,且一定要依照J-STD-033這個規範而被防濕保管、保存。
如果一個元件歸類為等級6,則該元件將被歸類為『對濕氣極端敏感』,而且任何的防濕包裝都無法提供適當的保護(除非使用超低濕乾燥設備,J-STD-033這個規範特別提到了)。如果這樣的產品被裝貨,一定要告知客戶該產品被分類到哪個等級。此外供應商還須隨元件檢附一張警示標籤。

IPC/JEDEC J-STD-033B 這份規範:
提供處理、包裝、裝運和烘烤潮濕敏感性元件的作業方法。

重點應該是在『包裝』、『保管』、『保存』和『防止濕氣吸收』上面,烘烤只是過多暴露發生之後使用的不得已辦法。

IPC/JEDEC J-STD-033B 規範

接著下面這個表!很重要!

各濕敏元件不同等級在不同濕度環境保存擁有的使用期限列表:

各濕敏元件不同等級在不同濕度環境保存擁有的使用期限列表

綜合以上資料,可得知道電子產業製程作業過程中,微量濕氣會造成很大的關鍵影響已經是個不爭的事實,要能提昇產品的良率和可靠度,除了製程流程的改善,其中一個關鍵環節就是有效處理『微量濕氣』的存在問題,並且不能單靠最後半成品或成品之後才考慮這個問題,而必須在『元件』、『零組件』、『原料』甚至『錫膏』…等就必需開始注意並且處理『微量濕氣』的問題

對於濕敏元件要能有效乾燥、脫濕,可以使用常烘烤或常溫常壓乾燥箱、乾燥設備,兩種方式。
一、烘烤除濕的方式 :
烘烤比較複雜,針對潮濕敏感級別不同和包裝厚度的不同,有不同的烘烤時間和溫度的需求,並且需注意烘烤溫度和時間可能造成引腳氧化或引起過多的金屬間增生(intermetallic growth),因而降低引腳的可焊接性及加速元器件老化等問題,這些反倒另外增加成品、半成品的不可靠度性和其他延伸問題。

二、常溫常壓的乾燥箱、乾燥設備除濕方式:
對於潮濕敏感等級為Level 2a和 Level 3等級的物件,真空包裝拆開後若能存放在低於10%RH的保存環境下,元件可以使用的車間壽命沒有限制。
對於潮濕敏感等級為Level 4到 Level 5a等級的物件,真空包裝拆開後若能存放在低於5%RH的保存環境下,元件可以使用的車間壽命沒有限制。

另外根據業界使用經驗參考資料表示:
將拆封後的物件放入濕度控制在5%RH以下的常溫乾燥箱 、乾燥設備中,經過拆封暴露時間 X 5倍的除濕保管、保存時間,物件可以恢復原本的元件車間壽命。

最後提醒您 最簡單的防潮防霉方式,還是使用 TDT/收藏家新環境改善技術之超低濕乾燥箱 / 空間乾燥工程(Dry Room)

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我們特別準備一份關於 IPC J-STD-020D/033B規範 如何有效利用,
可幫助您提昇產品品質降低不良率、提昇可靠度的相關資料,歡迎您向我們索取

本技術還可應用於~
科研製程:1~40%RH低濕/超低濕、製程現場、廠房、物料倉庫、Clean Room、RD&Lab…
食品生技:食品加工和生技製藥製程的乾燥處理…
藝文展藏:博物館、美術館、紀念館、書廊、收藏庫房、檔案室…
商業空間:溜冰場、戲院、泳池、SPA、俱樂部、飯店、冷凍食儲、冷藏食儲、低溫運轉…
設備/武器:自動化設備、軍事武器、精密儀器、精密機電控制中心…
公共建設:金屬橋樑、水處理廠、發電廠、公共工程…
居家生活:咖啡、茶葉、精品、收藏品、3C用品…防潮保存,衣帽間、更衣間、儲藏室、地下室、車庫、整屋…空間防潮規劃。
 

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